Ti-6Al-4V 금속 분말에 의한 선택적 레이저 용융법 수치 해석

Ti-6Al-4V 금속 분말에 의한 선택적 레이저 용융법 수치 해석

선택적 레이저 용융법(SLM: Selective Laser Melting)은 3D 프린팅 기술의 하나로 최근 주목 받고 있습니다. SLM에서는 레이저 조사 중 높은 온도 구배로 인해, 용융과 재응고 현상이 일어나므로 용융금속 유체의 거동이 중요한 역할을 담당하고 있어, 구성 부품의 최종 구조를 결정합니다.

FLOW-3D@ WELD를 이용하여 T-6Al-4V(64티타늄 합금)에 대한 선택적 레이저 용융법 (SLM) 시뮬레이션이 가능합니다.

SLM 개념도
SLM 개념도

금속 분말을 얇게 깔아 생긴 분말층에 레이저를 조사하면 조사된 부분만 용융, 응고 됩니다. 이 공정을 반복하면서 적층하여 3차원 형상을 만듭니다. 금속을 재료로 하여 고강도 제품을 만들수 있으므로, 기존의 시작 제품(Rapid Prototyping)뿐만 아니라, 짧은 납기일, 저비용, 고기능 등을 목적으로 한 Additive Manufactuing 기술로서 주목받고 있습니다.

FLOW-3D@ WELD를 이용한 해석을 통해서, 표면의 경사에 따라 용융지의 형상과 온도 분포가 결정된다는 것을 알 수 있습니다.

용융 풀의 최대 깊이는 SLM의 형태학적 변화에 따라 달라지며 평균 깊이는 42μm입니다.

선택적 레이저 용융법 (SLM) 해석 결과
선택적 레이저 용융법 (SLM) 해석 결과

 *Source: National Cheng Kung University, Department of Materials Science and Engineering, Taiwan YC Wu, WS Hwang

분말 베드 용융 결합의 Mesoscopic 열 유동해석

분말 베드 용융 결합의 Mesoscopic 열 유동해석

자료 제공: 오하이오 주립대학교
자료 제공: FLOW Science Japan

오하이오 주립대학의 YS Lee W.Zhang 등에 의한 Mesoscopic Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Laser Powder Bed Additive Manufactuing는 FLOW-3D를 이용하여 금속 분말층의 레이저에 의한 용융 결합 (L-PBF)을 분석하고 있습니다. 논문에서는 DEM으로 생성한 임의의 분말층을 분석 대상으로 하고, FSJ 에서 개발한 FLOW-3D WELD(레이저 용접 모듈) 모듈을 이용하여 균일한 분말을 바닥에 분사한 후 그 결과를 비교했습니다.

Mesoscopic Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Laser Powder Bed Additive Manufactuing
Mesoscopic Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Laser Powder Bed Additive Manufactuing 해석 모델
Mesoscopic Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Laser Powder Bed Additive Manufactuing 해석 결과
Mesoscopic Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Laser Powder Bed Additive Manufactuing 해석 결과

위 사례를 통해 열전도나 용융금속의 거동, 용접속도의 차이에 의한 영향 등, 같은 분말 베드에서도 정상적인 해석이 가능한 것을 알 수 있습니다.

온도분포등의 결과의 차이는 분말층의 차이로 발생될 수 있으며, 향후, FLOW-3D@ DEM(FSJ 개별요소법 모듈)을 이용한 분말층 생성기능도 개발 예정입니다.

레이저 용접에서의 키홀 동력학과 유도를 통한 Porosity 형성

레이저 용접에서의 Key Hole 동력학과 유도를 통한 Porosity 형성

자료 제공: General Motors Company, Shanghai Jiao Tong University
자료 제공: FLOW Science Japan

이 사례를 통해 FLOW-3D@ WELD를 이용하여 레이저 용접 프로세스의 키홀 형성 유도를 통한 porosity 형성에 대하여 검토가 가능한 것을 알 수 있습니다.

  • porosity 형성을 유도하는 키홀의 메커니즘
  • 레이저 출력과 용접 속도의 영향
  • 레이저 빔의 경사각의 영향으로 porosity 형성을 유도하는 키홀의 메커니즘
Porosity 형성을 유도하는 Key Hole 해석모델
Porosity 형성을 유도하는 Key Hole 해석모델

위 그림과 같이 온도에 따른 표면장력 값과 강한 우회전 소용돌이에 의해 후방으로의 유동은 거의 억제되는 것을 확인할 수 있습니다. 강한 용융 유동에 의한 Key Hole 붕괴는 초기 porosity 형성의 원인이 되지만, Key Hole 재개나 기포가 자유표면으로 빠져 나가도록 반드시 porosity를 이끌지는 않습니다.

그러나 키홀 바닥부에서 강한 소용돌이에 의해 기포가 키홀 용융지 후방 저부로 운반될 때는 높은 열전도율로 응고면이 빠르게 이동하므로, 응고면에 의해 포획될 위험이 매우 높습니다.

또한 용융 시의 알루미늄은 소용돌이가 강하기 때문에, 기포를 용융지의 바닥 후방에 있는 상태에서 배출시키는 것은 거의 불가능합니다. 기포가 응고면에 의해 포획될 경우 porosity가 형성됩니다.

레이저 출력과 용접속도의 영향

일반적으로 용접속도를 크게 하면 결합부에서 Porosity가 감소합니다. 이는 용접 속도 상승으로 모재 내 용해 및 키홀 깊이가 감소하여 키홀이 안정되기 때문입니다.

레이저 출력과 용접 속도의 영향
레이저 출력과 용접 속도의 영향
저속과 고속의 2 케이스에서 예측된 용융지의 유속장과 온도 분포
저속과 고속의 2 케이스에서 예측된 용융지의 유속장과 온도 분포

실험에 의한 길이 방향 단면의 Porisity 분포와 FLOW-3D@ WELD에 의한 분석 결과를 보여줍니다. 3번 케이스도 실험과 비슷한 용해 깊이를 가지고 있으며, 분석 결과도 실험과 매우 잘 일치하고 있습니다.

용접 단면의 Porosity 분포
용접 단면의 Porosity 분포

용접 단면의 Porosity 분포를 보면, 레이저 조사 각도가 증가할 수록 Porosity가 뚜렷이 감소하고 있음을 알 수 있습니다. 위의 오른쪽 그림에 용융지 내의 유속장과 온도분포를 보면 레이저 빔의 경사각도는 키홀의 생성 방향을 결정하여 후방의 용융지와 용융유동에 영향을 미치고 있습니다.

또한, 레이저의 경사각도가 작을 경우 강력한 증발 반력이나 중력에 의해 용융금속이 다른 방향으로 이동합니다. 이는 강한 소용돌이 흐름의 원인이 되는 구동력으로 작용하여 키홀 붕괴로 이어지기 쉽다는 것을 확인할 수 있습니다.

Gravity Die Casting Workspace, 중력주조

Gravity Die Casting Workspace Highlights, 중력주조

  • 최첨단 다이 열 관리, 동적 냉각 채널, 분무 냉각 및 열 순환
  • Ladle 주입 조건에 따라 동적 Ladle 모션이 있는 Ladle 주입
  • 첨단 유량 솔루션으로 정확한 가스 갇힘 및 가스 다공성 제공

Workspace Overview

Gravity Die Casting Workspace(중력주조)는 엔지니어가 FLOW-3D CAST를 사용하여 중력주조 제품을 성공적으로 모델링할 수 있도록 설계된 직관적인 모델링 환경입니다.

Ladle 모션, 벤트 및 배압이 충진해석에 포함되어 공기 갇힘 및 미세 응고수축공의 정확한 예측과 금형온도분포 및 상태 예측이 가능합니다.-첨단 응고 모델은 Workspace의 하위 프로세스 아키텍처를 통해 충준해석기능에 원활하게 연결됩니다. Gravity Die Casting Workspace는 다목적 모델링 환경에서 시뮬레이션의 모든 측면을 위한 완전하고 정확한 솔루션을 제공합니다.

PROCESSES MODELED

  • Gravity die casting
  • Vacuum die casting

FLEXIBLE MESHING

  • FAVOR™ simple mesh generation tool
  • Multi-block meshing
  • Nested meshing

MOLD MODELING

  • Localized die heating elements and cooling channels
  • Spray cooling of the die surface
  • Ceramic filters
  • Air vents

ADVANCED SOLIDIFICATION

  • Porosity
  • Shrinkage
  • Hot spots
  • Mechanical property
  • Microstructure

SAND CORES

  • Core gas evolution
  • Material definitions for core properties

DIE THERMAL MANAGEMENT

  • Thermal die cycling
  • Heat saturation
  • Full heat transfer

LADLE MOTION

  • 6 degrees of freedom motion definition

DEFECT PREDICTION

  • Macro and micro porosity
  • Gas porosity
  • Early solidification
  • Oxide formation
  • Surface defect analysis

VACUUM AND VENTING

  • Interactive probe placement
  • Area and loss coefficient calculator

MACRO AND MICRO POROSITY

  • Gas porosity
  • Early solidification
  • Oxide formation
  • Surface defect analysis

FILLING ACCURACY

  • Gas and bubble entrapment
  • Surface oxide calculation
  • RNG and LES turbulence models
  • Backpressure

COMPLETE ANALYSIS PACKAGE

  • Animations with multi-viewports – 3D, 2D, history plots, volume rendering
  • Porosity analysis tool
  • Side-by-side simulation results comparison
  • Sensors for measuring melt temperature, solid fraction
  • Particle tracers
  • Batch post-processing
  • Report generation

모터 냉각에 관한 성능 연구

모터 냉각에 관한 성능 연구

본 연구는 모터 냉각 성능을 실험적으로, 그리고 수치적으로 조사한다. 모터는 원심 팬, 2개의 축 팬, 축, 스테이터, 로터, 637개의 냉각 튜브가 있는 열 교환기로 구성된다.

1800rpm에서 냉각팬의 압력 상승-유량(P-Q) 성능 곡선은 중국 국가표준(CNS) 2726을 준수하는 시험 장치를 사용하여 시험한다. 수치해석 결과, 실험 측정과 비교했을 때 축방향 팬과 원심형 팬의 P-Q 성능 곡선은 각각 약 2%와 6% 이내에서 추정할 수 있다.

단순화된 모델을 사용하여 열교환기와 스테이터를 다공성 매체로 설정함으로써 모터의 흐름장을 계산한다. 로터와 스테이터 근처의 유장 결과를 사용하고, 열 발생 속도를 경계조건으로 하여 스테이터와 로터의 온도분포도 계산한다.

시뮬레이션 결과 축 팬 근처에 있는 스테이터 권선의 계산온도는 측정값보다 약 5% 낮으며, 스테이터 중심에 위치한 스테이터 코어의 계산온도는 측정값보다 약 1% 높다. 이외에도 모터 냉각 성능 향상을 위한 논의가 이루어지고 있다.

모터는 우리 생활에서 널리 사용되고 있지만, 온도는은 모터 생산에서 중요한 고려사항이 된다. 과열은 모터의 수명을 감소시키는 결과를 가져올 것이다. 따라서 비용을 절감하고 최적화된 성능을 얻는 방법은 노력을 기울여야 한다.

CFD(Computational Fluid Dynamics) 코드를 통해 모터의 열 전달을 이해하고 모터의 열 관리를 개선하는 데 유용할 것이다.

모터 성능을 향상시키기 위해, 많은 연구들이 팬의 성능 예측과 최적화에 전념하였다[1-6]. 좋은 팬은 기하학 및 블레이드 번호를 포함하여 모터의 냉각 용량에 영향을 미친다. 게다가, 선풍기에서 발생하는 소음과 진동은 데시벨을 낮추는 방법을 제안할 필요가 있는 핵심이다.

모터 온도와 관련하여 모터 온도를 결정하기 위해 전력 소산 및 모터 열 저항을 고려할 수 있다[7]. 밀폐된 모터 냉각 시스템의 흐름 구조에 따라 달라지는 대류 열전달 때문에 밀폐된 전기 모터의 유체 흐름은 수치적 방법에 의해 연구된다[8]. 모터 성능 연구에서는 CFD 모델링 기법을 사용하여 모터의 열 관리를 조사한다.

[9-13]. 본 연구는 주로 원심 팬(외부 팬), 2개의 축 팬(내부 팬), 샤프트, 스테이터, 로터 및 637개의 냉각 튜브가 장착된 열 교환기로 구성된 2350kW TEAC(Tall Closed Air to Air Cooling) 모터를 조사한다. 이 모델에서 흐름은 외부 흐름과 내부 흐름으로 구분할 수 있다. 그림 1에서, 파란색 화살표는 외부의 차가운 흐름을 나타낸다.

원심 팬이 회전하면서 주변 공기가 공기 장막을 통해 흐른 뒤 637개의 열교환 튜브로 들어가 밖으로 나가는 데서 유래한다. 빨간색 화살표의 순환은 축 팬의 회전으로 인한 내부 열류, 스테이터를 의미한다. 그런 다음 열교환기로 들어가 외부 저온 흐름으로 열교환한다.

Flow fields of the axial fan
Path lines of the axial fan
Calculation results of the pressure and flow fields

본 연구에서는 모터 성능을 Fluent[14]와 상업용 코드인 Flow-3D[15]로 시뮬레이션하고, Gambit을 사용하여 Fluent용 메쉬를 생성한다.

이 모터의 복잡한 지오메트리를 다루기 위해서는 구조화되지 않은 메쉬나 하이브리드 메쉬가 우선 고려되었다. 아쉽게도 멀티 블록 구조 메시 생성 방식을 시도했지만 효과가 없었다. 또한 심하게 치우친 요소를 생성하지 않고 메쉬 확인을 위한 메쉬 테스트도 시뮬레이션 과정에서 중요하다.

본 연구의 첫 번째 부분은 축 및 원심 팬의 성능을 조사하는 것이다. 두 번째는 스테이터와 로터 부근의 전체 모터의 유량장, 압력장, 온도에 대해 논의한다. 모델의 정확성을 입증하기 위해 팬 성능 및 스테이터 온도의 계산 결과를 실험 데이터와 비교한다.

상세한 내용은 첨부된 논문을 참조하기 바랍니다.

The-Investigation-of-Motor-Cooling-Performance.pdf

FLOW-3D 금속3D프린팅분야 활용

FLOW-3D 레이저 용접분야 활용

금속 3D 프린팅은 적층제조(Additive Manufacturing) 가공법이라고 불리며 일반적으로 금속 파우더 또는 와이어를 한 층씩 적층하여 제조하는 공법이다. 금속 적층제조 공법에 대한 관심은 지난 몇 년 동안 지속적으로 이루어지고 있으며 이와 관련된 연구개발도 활발히 진행되고 있다. 금속 3D 프린팅은 복잡하거나 특수한 형상을 손쉽게 설계하고 제조할 수 있는 장점을 가지고 있어 조선, 우주 항공, 자동차, 의료,기계 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.이러한 금속 3D 프린팅은 크게 Powder Bed Fusion(PBF) 공정과 Directed Energy Deposition(DED) 공정으로 분류할 수 있다.

PBF는 금속 파우더를 소재로 하는 공정으로 파우더를 평평히 깔고, 고밀도 에너지를 가진 레이저 또는 전자빔을 지정된 영역에 조사(Irradiation)하여 파우더를 소결시키거나 용융시켜 한 층씩 적층하는 방법이다. DED는 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 조사하면서 동시에 금속 파우더도 같이 분출되어 용융지가 실시간으로 적층되는 공정이다. 용접과 유사한 방법으로 기존 제품에 덧붙여 쌓아 올릴 수 있어 보수 작업에 활용할 수 있다. 그리고, DED 공정에서는 이종 소재의 적층이 가능하여 다양한 금속 파우더를 활용한 합금 제작이나 다른 재질을 소재를 적층할 수 있다

Powder Bed Fusion(PBF) 공정

FLOW-3D의 Weld 모듈을 이용하여 레이저 파워, 열 유속, 레이저 Spot 사이즈, 레이저 움직임과 속도, 실드 가스, 멀티 반사효과, 반사율, 증발압력 효과, 표면장력 설정 등을 고려하여 Powder에 레이저조사 조건을 설정하여 용융거동을 확인할 수 있다.

Directed Energy Deposition(DED) 공정

DED 공정 해석은 FLOW-3D의 Particle 기능을 이용한 방법으로, Base Metal에 입자들이 낙하되면서 레이저의 열유속에 의해 용융 및 적층된다. 이 방법은 입자가 떨어지는 현상을 시각적으로 확인할 수 있다.

기사 상세 내용은 PDF로 제공됩니다.

다운로드 : [201907_FLOW3D_금속3D프린팅]

작성자 | 양정호_에스티아이C&D 솔루션사업부 대리, 조애령_에스티아이C&D 솔루션 사업부 차장
이메일 | flow3d@stikorea.co.kr
홈페이지 | www.flow3d.co.kr

출처 : CAD&Graphics 2019년 07월호

Solidification & Shrinkage Defects (응고, 수축결함)

Solidification & Shrinkage Defects (응고, 수축결함)

FLOW-3D는 수축결함을 완화시키기 위해 압탕(riser)의 위치를 확인할 수 있는 응고 모델링 툴과 수축공(shrinkage)과 미세수축공(mirco-porosity) 영역을 정확히 파악하기 위한 모든 기능을 보유하고 있습니다. 거기에는 편석( segregation), 열응력(thermal stress)응력 등 응고와 연관된 광범위한 결함 예측기능들이 있습니다. 정확한 응고 현사을 분석하기 위해 중요한 첫 번째 단계는 정확한 충진 해석입니다. 정확한 온도분포(thermal profile)를 예측하기 위해서는 정확한 유동해석이 필요하고, 이는 응고해석의 초기조건이 됩니다. FLOW-3D는 보다 신속한 주물 설계 및 불량률을 줄일 수 있도록 응고와 관련된 많은 결함을 예측할 수 있습니다.

Solidification & Shrinkage Videos

LPDC (Low Pressure Die Casting, 저압주조)

LPDC (Low Pressure Die Casting, 저압주조)

저압주조는 금형 하부에 위치한 스토크(stoke)가 용탕이 들어있는 보온로(furnace)와 금형을 연결하여 주조하는 공정입니다. 또한, 보온로는 탕구를 통해 용탕을 채우기 위한 압력을 제공합니다. 금형의 제품이 응고되면 스토크안의 미응고 용탕이 보온로 회수되도록 보온로의 공기압은 감소합니다. FLOW-3D는 금형온도분포해석, 충진, 응고, 열응력를 연속적이고 효과적으로 해석에서 재현할 수 있어 더 나은 설계를 할 수 있도록 해 줍니다.

Example of a low pressure die casting, predicting an incorrect fill pattern. Courtesy Form Stampi, SRL.

HPDC (High Pressure Die Casting, 고압다이캐스팅)

HPDC (High Pressure Die Casting, 고압다이캐스팅)

주조 기술 중 하나인 고압 다이 캐스팅 해석시 다른 많은 주조해석 소프트웨어에서 큰 문제들이 나타납니다. 충진되어야 할 부분은 대부분 매우 얇은 두께를 가지고 있어서 형상 구현에 필요한 격자의 수가 크게 증가되어야 합니다. 무엇보다도 금속은 높은 압력과 매우 빠른 속도로 금형안의 빈 공간에 충진됩니다. 금형 내부로 분사되고 비산하는 유동은 이 과정에서 혼입 된 공기로 인한 기포결함, 제품이 완전히 충진되기 전에 냉각이 시작하면서 발생하는 탕주름과 산화물 결함으로 이어질 수 있습니다.  FLOW-3D는 실질적인 금형 충진 해석의 정밀도를 향상시키기 위해 정확성이 고도로 향상된 TruVOF™ 추적기법과 복잡한 형상을 모델링하는FAVOR ™ 기법을 포함하고 있습니다. 또한 FLOW-3D는 혼입 된 공기, 열 응력, 미세 결함 영역을 검출하기 위한 다양한 모델을 가지고 있습니다.

Thermal Die Cycling (금형온도분포,  금형싸이클링)

Die cycling 해석은 다이캐스팅 금형이 수천 개의 제품 생산에 반복적으로 사용되기 때문에 고압 다이 캐스팅에 필수적인 공정입니다. 생산시 모든 주조품에 대해서 동일한 금형 온도를 유지하는 것은 매우 중요한데, 이는 금형온도에 따라 주조품의 결괌이 발생할 수 있기 때문입니다. FLOW-3D는 다이캐스팅 싸이클에서 발생하는  금형 가열(충진, 응고), 스프레이, 에어 블로우로부터 온도 분포를 해석하므로 사용자는 냉각 채널의 위치를 정확하고 효과적으로 예측할 수 있습니다.

Shot Sleeve Optimization (슬리브 유동 최적화)

고압다이캐스팅에서 슬리브는 금형 속에 용탕을 빠르게 밀어넣는 데 사용됩니다. 일반적으로 슬리브는 수평으로 위치되고, 용탕은 슬리브 상면의 주입구를 통해 부어집니다. 플런저는 금형 반대편에서 슬리브를 통해 금형 안쪽으로 용탕을 밀어 넣게 됩니다. 적절하게 설계된  플런저 이동조건은 슬리브 내부의 공기 혼입을 최소화하고 슬리브에서의 응고를 피하기 위해 가능한 한 빨리 금형에 용탕을 충진하게 설계되어야 합니다. 하지만,  피스톤이 너무 빨리 이동하는 경우, 슬리브 내에서 용탕의 겹침현상이 발생하여 주조품에 공기 갇힘 결함이 나타날 수 있습니다. FLOW-3D는 다이캐스팅 해석시 플런저 이동에 따른 슬리브 내부의 유동을 실제와 동일하게 반영하여 이와 같은 기포 결함을 최소화할 수 있습니다.

Filling Simulations (충진해석)

고압 다이 캐스팅을 해석할 때, 가장 어려운 과제는 고압 및 고속으로 금형에 충진되는 용탕의 유동을 정확하게 추적하는 것입니다. 많은 주조해석 소프트웨어에서 용탕의 분사와 비산을 정확하게 모사하지 못하는 것이 제품의 결함 예측에 가장 큰 장애물이됩니다. FLOW-3D의 TruVOF™ method는 설계 엔지니어들이 금형내부에서 최적의 유동 패턴을 유도하기 위해 게이트의 위치를 확인하고, 오버 플로우의 위치를 확인하는데 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.

Modeling Solidification (응고모델링)


Courtesy of Littler Diecast Corporation

FLOW-3D는 엔지니어로 하여금 최종 제품의 품질에 영향을 미칠 수 있는 내부 기공(porosity)의 발생을 알수 있도록 합니다. FLOW-3D는 2원계합금(binary alloy)의 편석(segregation)을 해석할 수 있습니다. 해석에 의한 온도 이력은 냉금(chill)  또는 냉각라인(cooling line)이 추가되거나 수정 될 필요가 있는지, 초기 용탕 온도를 변경해야 하는지 등을 결정하는데 도움을 줍니다. FLOW-3D는 내부 미세수축공의 형성, 열응력 및 2원계합금의 편석을 예측할 수 있습니다.

HPDC Videos