과열 영역 탐색 대상 모델 

적층공정해석을 통한 과열 영역 예측은 단순히 과열이 발생하는 영역을 확인하는 것 뿐 아니라, 열이 충분히 배출되도록 제품의 배치(Orientation) 및 서포트 설계가 수행되었는지 검토하는 기능도 수행한다. 또한 과열 문제를 예방하기 위해 냉각되어야 하는 기준 온도가 있다면, 그 온도에 도달하기 위해 추가적으로 필요한 시간을 확인할 수 있다. 

먼저 개폐밸브 밸브 하우징 제품에 대해 살펴보도록 하겠다. 극저온 액체 추진제를 사용하는 발사체의 엔진은 점화와 연소 중단을 통해 추진력을 얻는다. 이때 개폐밸브를 이용해 연소기 내에 산화제와 연료의 공급□차단이 원활히 이루어지도록 하는데, 이 개폐밸브의 밸브 하우징이 [그림 4]의 제품이다. 그런데 이 제품은 고압,고유량,극저온의 액체산소가 산화제로 사용되기 때문에 매우 가혹한 운용 환경에서 정상 작동하여야 한다. 또한 기밀, 열림 압력, 내구성 등 밸브 성능에 높은 신뢰성이 요구되고, 밸브 크기 및 무게 제한으로 인해 개발요구조건 난이도가 높다. 

[그림 5] 한국항공우주연구원의 개폐밸브 밸브 하우징 적층제조 설계 

따라서 이와 같은 이유로, 개폐밸브 밸브 하우징은 제작 실패 시 발생 비용이 높은 고부가가치 제품이므로 사전 검토 단계에서 과열 영역 탐색 도입의 필요성이 있어 과열 영역 검토 대상으로 선정되었다. 또한 이 과정 중에 해석적으로 확인 가능한 과열 영역을 실제 제작된 제품과 비교함으로써 신뢰성을 확보하고자 한다. 그리고 해석적으로 dwell-time(recoating time) 변경을 통해 냉각시간을 늘림으로써 과열 영역이 해소되고 build failure issue가 감소되는 것을 확인하고자 한다. 

Additive 적층공정해석을 통한 과열 영역 탐색 

과열 영역 탐색은 Workbench Additive의 L-PBF 시뮬레이션을 통해 수행되며, Wizard를 이용하기 때문에 전체 워크플로우는 아래 [그림 6]과 같이 진행된다. 또한 과열 영역(Hotspot)은 Thermal Solver를 이용하는 Thermal-Structural에서만 지원되기 때문에 L-PBF Thermal-Structural 해석 시스템을 생성하고, Wizard를 이용해 Model setup, Build setting, Postprocessing option 설정 후, 해석을 수행하고 결과를 검토하게 된다. 

[그림 7] LPBF Setup Wizard 

LPBF Setup Wizard를 통해 Model setup 단계에서 Part, Support, Base와 Material을 정의하고 Mesh를 설정한다. 이후 Build Settings에서 Calibration Settings와 Machine Settings을 완료한다. 이때 적용된 Machine Settings는 실제 빌드에 적용된 조건과 동일하게 입력하고, Dwell Time(Recoating time)도 실제 빌드와 유사하게 10s로 적용하였다. 

[그림 8] LPBF Setup Wizard : Model Setup 

마지막으로 Postprocessing Options에서 L-PBF 빌드 시뮬레이션 이후 공정 단계를 추가할 수 있다. 그 다음에는 확인 가능한 결과를 선택할 수 있는데, 주 관심사인 과열 영역(Hotspot)을 포함한 모든 결과를 선택하여 Wizard 설정을 완료한다. Wizard가 완료되면, Wizard를 통해 설정한 조건들이 Outline에 추가되고, 이후에 Mesh가 생성된다. Mesh 생성 이후에 Transient Thermal 해석 수행을 통해 과열 해석 결과를 살펴보도록 한다. 

개폐밸브 밸브 하우징의  LPBF Hotspot 해석 결과 과열 영역은 총 3개 영역에서 예측된다. [그림10]에서 아래쪽부터 살펴보면, 가장 먼저 예측되는 과열 영역은 전체 높이의 절반 이상 빌드되는 시점(Flange의 중간 지점)이다. 두번째는, 단면이 합쳐지는 Flange의 상단부 영역에서 예측된다. 마지막으로, 최상단에서 예측되는데, 이는 Layer 단면이 넓고 베이스플레이트와 거리가 멀어 열 배출이 어렵기 때문에 과열 영역으로 예측된 것으로 보인다. 

이 과열 영역의 범위를 줄이고, 과열 온도를 낮추기 위해서 LPBF Hotspot Time Correction : Additional Layer Time을 통해 추가적으로 필요한 시간을 살펴보도록 한다. 이때 각 레이어에서 발생하는 열에 인한 문제없이 빌드하기 위해 낮추어야 하는 목표 온도는 임의로 200℃로 지정하였다. 그 결과, 목표 온도까지 냉각을 위해 각 Layer에 추가적으로 필요한 시간을 보여주는데, 첫번째 과열 영역이 나타난 전체 높이의 절반 이상 빌드된 시점부터 각 Layer에 냉각을 위한 추가 시간이 필요함을 알 수 있다. 또한 두번째 과열 영역이었던 Flange 상단부에서 최대 13초의 시간이 필요한 것으로 확인 되었다. 

[그림 11] 개폐밸브 밸브 하우징의 LPBF Hotspot Time Correction : Additional Layer Time 해석 결과  

해석적으로 확인 가능한 과열 영역을 실제로 빌드된 제품과 비교하여 LPBF Hotspot 해석 결과에 대한 신뢰성 검토를 수행해 보았다. 이 결과, LPBF Hotspot 해석에서 확인 가능한 과열 영역 부근에서 실제로 과열로 인해 서포트가 끊기면서 상단부 적층에 문제가 발생, 공정이 중단되는 현상을 확인할 수 있었다.  

따라서 과열 영역을 줄여 공정 중 문제를 해결하기 위해 우선 Solid 타입의 서포트를 추가함으로써 열 배출 path를 더욱 확대시켰다. 또한 LPBF Hotspot Time Correction - Additional Layer Time으로 확인하였던 목표 온도까지 냉각을 위해 추가적으로 필요한 시간(최대 13초)을 고려하여, Dwell-time(recoating time)을 기존 10초에서 25초로 늘림으로써 전체적으로 냉각시간을 더 적용하였다. 그 결과, [그림 13]과 같이 과열 발생 영역이 감소하였고, 과열 최대 온도가 약 325℃에서 73℃ 감소하여, 약 252℃로 떨어진 것을 해석적으로 확인할 수 있었다. 또한 [그림 14]와 같이 이때 금속분말을 도포해주는 장치인 Recoater와의 충돌 가능성을 확인하는 Recoater Interference의 결과가 반드시 충돌할 것임을 나타내는 Critical 영역(붉은색)이 기존의 dwell-time이 10초 일 때에는 다수개의 영역에 분포하였지만, Solid 타입 서포트 추가와 dwell-time을 25초로 변경한 우측 결과에서는 나타나지 않음을 확인할 수 있다.  

이를 통해 실제로 과열이 build failure의 주요한 요인임을 해석적 방법을 통해 검증할 수 있었으며, 실제 제품 제작을 통해서도 확인할 수 있었다. [그림 15]는 앞선 Solid 타입의 서포트 추가 및 공정 파라미터 변경을 통해 냉각 시간 증가를 실제 적용하여 제작한 제품의 사진이다. 이 결과 제품의 제작 공정 중 문제없이 빌드가 완료되었다. 만일, 과열 영역에 대한 예측이 초기 빌드 전, 사전 수행되었다면 재생산을 위한 Trial & Error가 줄어 시간 및 자원을 훨씬 절감할 수 있었을 것이다. 

[그림 15] 서포트 강화 및 장비 공정파라미터 변경 후 빌드된 밸브 하우징 : (좌) As-build, (우) 서포트 제거 후