Ansys Additive 2023R1에서 새롭게 추가된 기능을 알아보자

 

 

Introduction

Ansys Addittive는 금속 적층제조 공정 해석을 제공한다. 공정 과정의 시뮬레이션을 통해 적층제조 공정 중 제품의 열수축과 변형을 파악할 수 있고, 소재 별 변형 경향 등 제품의 생산성에 영향을 미치는 요소들을 미리 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 실물 제품을 제작하기에 앞서 출력 환경 설정에 필요한 시간과 비용을 Ansys Additive를 사용함으로써 획기적으로 줄일 수 있다. 현업 종사자들을 위해 본 내용에서는 Ansys Additive가 제공하는 L-PBF 공정 시뮬레이션과 DED 공정 시뮬레이션에 대한 2023R1 버전의 업데이트 내용을 알아보고자 한다.   

 

1. L-PBF Simulation

1-1. Mechanical Additive 개선사항

먼저 Additive 2023R1버전의 Mechanical Additive에서 개선된 4개 업데이트 사항을 소개하고자 한다. 

첫번째로, AM Octree를 이용한 Adaptive Mesh 생성 옵션이 추가되었다. Octree 메쉬 방법은 Nonlinear Mesh Adaptivity의 한 종류로 AM시뮬레이션에서 Layer By Layer로 적층 될 때, 이전 레이어 층의 요소를 Coarse하게 만들어 전체 요소 수를 줄임으로써 해석 시간을 단축시키는데 크게 효과적인 방법이다. 예를 들어 3번 Layer가 적층 될 1, 2번 Layer가 합쳐져 3번 Layer에 대한 시뮬레이션 해석 시간을 단축시킨다. 이때 파트 형상의 내부 볼륨에 대해서만 적용되며, 외부는 초기 설정한 메쉬 크기를 따라간다. 따라서 Bulk한 모델에 효과적이다. Octree 방법은 Inherent Strain에서 사용 가능하며, Voxelization 방법의 메쉬에 지원된다. 이때, Cartesian 메쉬에서 Voxelization 옵션을 켰을 때도 적용 가능하다. 그리고, Octree 방법은 Nonlinear Mesh Adaptivity의 한 종류이기 때문에 Inherent Strain을 수행한 뒤, 해석 결과에서 Section Plane을 통해 확인할 수 있다. 

 

  

[그림 1] Octree 방법 설정 화면

 

두 번째로, Inherent Strain 시뮬레이션에서 Anisotropic, Scan Pattern, Thermal Strain 기능이 추가되어, 사용자가 옵션 선택이 가능하게 되었다. 또한, Scan Pattern과 Thermal Strain 모드에서 시뮬레이션을 진행할 때, 장비의 Build Files을 삽입하여 실제 Laser Scan Strategy를 적용한 시뮬레이션이 가능하다. 이때 지원되는 장비 제조사는 Additive Industries, EOS, HB3D, Renishaw, Sisma, SLM, Trumpf가 있다.

 

 

세 번째로는 Removal 단계에서, 베이스플레이트와 파트-서포트 간의 제거에 대해 Directional Cut-off Method가 지원된다. Removal Direction 각도를 이용해 커팅이 진행되는 방향을 정의하여 실제와 더 유사한 모사가 가능하다. Removal Direction 각도가 0도일때는 +X 방향으로 진행된다. 예를 들어 30도인 경우에는 Z축을 기준으로 30도 회전된 방향에서 진행된다.  Step Size로 한 스텝 당 커팅되는 거리를 설정함으로써 실제 Wire Cutting에 의한 Cut-off 단계에서 파트와 서포트의 변형량을 더 정확하게 모사할 수 있다. 

 

 

마지막으로 [그림 4]와 같이 Post-processing 단계에서 확인 가능한 결과에 High Strain이 포함되었다. 이로써 파트 또는 서포트의 크랙을 유발할 수 있는 과도하게 높은 Strain이 예측되는 영역을 확인할 수 있다. 그리고, High Strain 뿐만 아니라 Hot-Spot을 통해 Overheating 영역을 확인할 수 있으며, Recoater Interference로 파트-서포트의 열변형으로 인해 파우더를 도포하는 Recoater와 충돌 가능성이 있는 영역을 확인할 수 있다.

 

 

1-2. Distortion Compensation

다음으로는 Compensation 수행 워크플로우의 개선사항이다. 기존까지는 [그림 5]와 같이 PBF시뮬레이션 수행 후 각 Node의 변형정도를 추출하여 Spaceclaim 내의 Compensation Geometry기능으로 보상모델을 생성하였다. 이번 업데이트를 통해 워크플로우가 개선되어 자동으로 수행이 가능하다. 또한 보상모델은 Save Iteration Results 옵션을 사용하여 Convergence 진행 중 생성된 Iteration 전 단계의 보상모델을 STL파일 형식으로 내보낼 수 있다. 

 

 

추가로 Compensation을 통해 보상 모델을 생성하기 전에 Compensation 수행 단계에서 Re-facet을 통해 STL facet의 품질을 설정할 수 있다. 과거에는 Mesh 크기에 따라 보상모델의 품질이 결정됐는데, 이제 Re-facet으로 보상모델의 품질을 사용자가 조정할 수 있게 되었다. 또한 Compensation 수행 후 Show Refaceted Geometry 기능으로 모델을 미리보기 할 수 있다. 그리고 이때 생성되는 보상모델을 사용하여, 다시 공정 시뮬레이션을 할 때, Zero Deformation at Base 옵션을 이용하여 베이스플레이트 상단면 기준으로 일정 범위 내의 Node는 보상모델 생성을 위한 Scaling 단계에서 Z축 방향으로만 선형적으로 변하도록 정의할 수 있다. 이 옵션을 활용하면 아래 [그림 6]과 같이 컨택면이 깨끗하게 생성이 되어, 추후 Cut-Off 시뮬레이션을 수행할 때 큰 도움이 될 수 있다.

 

[그림 6] Zero Deformation at Base 옵션이 적용된 보상모델 예

 

1-3. Calibration Wizard

이어서 Calibration Wizard에 대한 업데이트 내용을 정리하였다. 이번 2023 R1버전부터 모든 L-PBF 시뮬레이션 모드에 대한 calibration 워크플로우가 자동화되었다. 그래서 [표 1]에서 정리된 바와 같이 적층공정에 대한 시뮬레이션에서 Istotropic으로 설정한 경우, SSF만 적용되며, Anisotropic으로 설정한 경우, SSF와 함께 ASC에 대한 파라미터 설정이 자동으로 세팅된다. Node를 기준으로 Calibration 수행 타겟을 정의 완료하면, 자동으로 최적화 파라미터가 생성되어 Factor를 찾는 과정이 간결해졌다. 추가로 [그림 7]과 같이 Anisotropic에 대한 Calibration 수행이 가능하므로, Scan pattern 및 Thermal Strain 조건에 대해 Laser Scan Strategy를 고려한 Calibration을 수행하여 해석의 정확도를 더욱 높일 수 있게 되었다.

  

Calibration Type	Simulation Type	Strain definition
SSF	Inherent Strain	Isotropic
	Thermal-Structural
SSF + ASC	Inherent Strain	Scan Pattern
	Inherent Strain	Thermal Strain

[표 1] 시뮬레이션 타입 및 Strain 정의에 따라 적용되는 Calibration 종류

 

[그림 7] Laser의 Scan Strategy를 고려한 시뮬레이션 및 Calibration 수행 예

 

2. DED Simulation

다음으로 Ansys Additive에서 제공하는 DED 시뮬레이션에 대한 업데이트 사항을 정리하였다.

 

2-1. Cluster 설정

Cluster는 DED방식의 적층 툴 이동을 모사하는 기능을 제공한다. 업데이트를 통해 [그림 8]과 같이 Table을 이용하여 각 클러스터 요소 별 수정이 가능하며, 적층률, 클러스터 예열온도, Dwell Time에 대해 수정이 가능해져, 실제 DED 공정에 대한 근접한 모사를 구현할 수 있게 되었다. 시뮬레이션을 통해 큰 변형 또는 Over Heating이 예측되는 영역에 대한 클러스터 설정을 변경함으로써 위와 같은 문제를 개선하는 과정까지 확인이 가능하다. 추가로 이때 설정된 클러스터 파일은 CSV 확장자로 저장이 가능하고, 설정파일을 따로 불러와 추후에 시뮬레이션을 진행할 시 적용할 수 있다. 

 

  

[그림 8] Cluster Setting Table

 

2-2. Non-Planar 베이스 플레이트

다음으로 Non-Planar 베이스플레이트에 대한 시뮬레이션이 가능해짐으로써, [그림 9]와 같은 평면형태의 베이스 플레이트가 아닌 샤프트, 허브, 구 등과 같이 복잡한 곡면 위에서의 DED공정 시뮬레이션이 가능하다. 시뮬레이션을 통해 설정된 공정 파라미터로 파트 리페어링 작업 시, 베이스가 되는 기존 제품에 미치는 영향을 확인할 수 있게 되어 제품의 수리, 보수 등을 목적으로 DED를 사용하는 분들께 사전 시뮬레이션 결과를 제공할 수 있게 되었다. 추가로 Non-Planar 베이스 플레이트 적용 시뮬레이션을 위해 베이스 플레이트와 파트 간의 컨택 커넥션 기능이 개선되었다.

 

  

[그림 9] Non-Planar 베이스 플레이트 예

 

2-3. 속도 및 정확도 향상

  다음으로 DED 시뮬레이션에 대한 속도 및 정확도 향상에 대한 내용이다. G-code를 이용한 클러스터 생성 시, 알고리즘 개선으로 이전에 비해 생성 속도가 단축되어, 파트의 크기 및 형상에 따라 달라질 수 있지만 최대 40배 이상 빠르게 클러스터 생성이 가능하다. 그리고 DED공정에 대한 변형 예측 알고리즘이 요소 클러스터가 적층을 모사할 때, 증착되는 이전 레이어의 변형 패턴과 크기를 따라가도록 변경되었다. 이전 레이어의 결과를 따라가도록 개선됨으로써, [그림 10]과 같이 실제 형상에 대한 더 근접한 모사가 가능하게 되었다.

 

2-4. Cluster Cooling Time Ratio

마지막으로 DED시뮬레이션 설정에 Cluster Cooling Time Ratio 설정이 추가되었다. DED공정에서 시뮬레이션의 전체 적층 시간은 요소 클러스터의 Volume과 Deposition Rate에 의해 결정된다. 따라서 이전에는 전체 적층 시간에 비해 매우 짧은 요소 클러스터 적층 시간동안 Heating, Cooling 프로세스가 적용되어 전체 계산에 영향을 미쳤다. 그래서 이를 개선하기 위해 Cluster Cooling Time Ratio가 적용되었고, 정의된 비율에 따라 DED공정 시간에 대한 Heating과 Cooling이 분포되어 적용된다. 예를 들어 [그림 11]와 같이 Cluster Cooling Time Ratio가 0.2로 정의되었다면, 전체 프린팅에 대해 20%를 Cooling, 80%를 Heating 시간으로 고려한다. 이때 비율 값이 낮을수록 Cooling Time이 차지하는 비율이 낮아지는 것이기 때문에 [그림 12]와 같이 Thermal History에서 온도 스파이크가 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 

 

 

[그림 12] Cooling Time Ratio 비율에 따른 온도 스파이크 비교

 

맺음말

본 내용을 통해 Ansys Additive의 2023R1버전에서 새롭게 추가된 기능을 알아보았다. 대표적으로 사용되는 금속 적층제조 방식인 L-PBF 방식과 DED 방식에 대한 업데이트 사항으로 기존 버전에 대비하여 해석과정을 단순화하고 정확도를 높일 수 있었으며, 실 제작에 앞서 시뮬레이션에서 보다 더 현실적인 적층 공정의 모사가 가능하게 되었다. 이러한 기능들을 이용하여 현업에서 Ansys Additive와 금속 적층제조 장비를 운용하는 사용자에게 도움이 될 수 있기를 기대한다.