기술과 솔루션
ANSYS를 이용한 플라스틱 성형 및 금형 시뮬레이션(2화)
작성자 : 이용우
2018-03-05 |
조회 : 3822
2화 : ANSYS와 사출 프로그램과의 연계를 통한 성형물의 변형해석 및 적층가공 해석
1. 사출 성형물의 변형해석
사출 성형물은 수지가 유입되는 게이트 위치, 유입 압력, 금형의 냉각 회로, 냉각 시간 등에 따라 제품의 변형 및 불량률이 크게 달라지게 된다. 금형을 제작하기 전에 미리 공정상에 발생할 수 있는 문제를 예측하거나 불량률을 감소시키기 위해 보통 사출전용 특화 프로그램을 사용하여 사출해석을 수행한다. 사출해석에서는 금형 내부의 압력 분포와 열 분포 및 잔류 응력을 계산하거나, 미성형 등을 검토할 수 있고 Fiber가 혼합된 재료의 경우 Fiber의 배향성도 확인할 수 있다. 그러나 사출해석 수행만으로는 제품의 성능 및 구조적 결함을 확인하기에는 한계가 있다. 그 이유는 사출해석에서 구해진 결과들로는 사출 성형물이 실제 제품에 조립되거나 제품 구동시의 거동 등을 확인할 수는 없기 때문이다. 이를 검토하기 위해서는 구조해석 전문 프로그램을 사용할 필요가 있다.
이번에 소개할 내용은 사출 후변형을 고려한 구조해석으로 사출 프로그램과 ANSYS 사이의 연계를 돕는 “ANSYS MoldSim” 프로그램에 대한 내용이다.
A. 사출-구조 연성해석에 필요한 사출해석 결과 데이터
사출해석을 수행하여 얻을 수 있는 결과들은 매우 다양하다. 그 중에서 구조해석과의 연계 해석에 필요한 데이터는 제품의 온도 분포 및 잔류 응력, Fiber 배향 결과이다.
▶ 제품의 온도 분포 및 잔류 응력
사출해석에서 구해진 성형물의 온도 분포 및 잔류응력 결과를 구조해석에서 적용할 수 있다. 기본적으로 용융재료가 액상에서 고상으로 변하면서 수축이 발생하고, 고상의 재료가 냉각 공정과 취출 공정을 거쳐 상온에 노출 될 때 온도 차에 의해 다시 수축이 발생한다. 보통 상변화에 대한 수축 정도를 잔류 응력 값으로 확인하며, 고상에서는 위치 별 온도 분포를 확인하여 상온으로 냉각시의 수축을 구조해석으로 수행할 수 있다.
▶ Fiber 배향 분포
사출 충전 재료에 Fiber를 혼합할 경우, Fiber의 배향 방향에 따라 재료의 강성, 휨에 대한 후변형이 달라지게 된다. 그림 1과 같이 사출 게이트 위치에 따라 Fiber의 배향이 달라지게 되고, 그에 따른 후변형 결과까지 영향을 미치게 된다.
제품의 온도 분포 및 잔류 응력의 경우, 사출해석 프로그램에서 위치별 결과 데이터를 추출하여 쉽게 ANSYS 내부에서 Mapping이 가능하다. 별도의 추가 모듈 없이 적용이 가능하여 쉽게 사출-구조 연성해석이 가능하다. 문제는 Fiber 배향성을 적용할 때이다.
Fiber 배향성은 요소 볼륨에 대한 결과로 구조해석에 사용하기 위해서는 각각의 요소에 강성의 방향성을 적용해야 한다. 이를 위해서는 사출해석에 사용한 격자를 구조해석에서 동일하게 사용해야 하지만, 격자를 그대로 사용하기엔 격자 수가 너무 과도하거나, 지원하지 않는 요소 타입(모양)이거나, Import 시간이 오래 걸리는 등의 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 별도의 연결 프로그램을 사용하게 되는데 ANSYS에서는 MoldSim을 사용하여 Fiber 배향 결과 데이터를 구조해석에 반영한다.
B. MoldSim을 사용한 ANSYS 사출-구조 연성해석
ANSYS MoldSim은 그림 2와 같이 사출해석에서 구해진 결과 데이터들을 쉽게 ANSYS 구조해석에 적용할 수 있도록 돕는다. 사출-구조 연성해석 수행을 위해 필요한 데이터에는 사출해석 격자 파일, Fiber 배향 결과 파일이 필수적이며, 잔류응력 및 온도 분포 데이터 파일을 추가로 적용하여 해석에 반영할 수 있다.
그림 3과 같이 시스템을 연결하면 쉽게 사출해석 결과 데이터를 구조해석 시스템으로 전송이 가능하고, 사출해석과 구조해석 수행 시에 서로 다른 격자를 사용할 수 있다. 또한 MoldSim을 사용하면 사출품에 비선형 재료물성(소성영역)을 적용하여 더욱 정확도 높은 해석 결과를 도출할 수 있고, 구조해석에 특화된 다양한 경계조건 적용이 가능하다. MoldSim에서 지원 가능한 사출해석 프로그램은 Autodesk Moldflow Insight, Moldex3D, SOLIDWORKS Plastics 이다.
2. ANSYS 적층가공 해석
적층가공이란, 3D(입체) 프린트를 사용하여 원료를 여러 층으로 적층하며 제품을 생산하는 공정이다. 별도의 금형 제작 및 중간 과정 없이 즉각적인 생산이 가능한 방법으로 절삭공정 및 사출공정으로도 생산이 어려운 복잡한 형상의 제품을 쉽게 제작할 수 있다. 공정에 사용 가능한 재료는 플라스틱(폴리머), 금속, 생체시료 등이 다양하게 사용되며 재료 및 적층 방식에 따라 다양한 적층가공 기술들이 있다. 많은 적층가공 기술들 중 일부를 그림 4에서 소개한다.
▶ 대표적인 적층 가공 기술들
▪ Fused Deposition Modeling(FDM) : 필라멘트 상태의 고체 수지를 녹여 적층하는 방식
▪ Powder Bed Fusion(PBF) : 쌓여진 분말 형태의 금속재료에 레이저 또는 전자빔을 사용하여 용융시켜 적층/결합시키는 방식 (DMLS, DMLM, EBM, SLM 등등)
▪ Directed Energy Deposition(DED) : PBF와 유사하지만 재료를 쌓아두고 용융시킨 것이 아니라 레이저 소스와 함께 움직이며 적층/결합시키는 방식
적층가공 공정으로 제품을 제작할 경우, 하부에서부터 재료가 용융되면서 적층되는데 이때 가해지는 열이 부분적으로 이미 생성된 구조물에 변형을 일으키면서 불량이 발생할 수 있다. 대표적인 것이 과열에 의한 변형, 레이어 분리, 뒤틀림, 잔류응력에 의한 짧은 수명 등이 있다. 보통 적층가공법으로 생산된 제품에 불량이 발생할 경우, 제품이 성공적으로 생산될 때까지 옵션을 변경하며 반복하여 제작을 시도하게 된다. 불량이 없는 제품 생산을 위해 매번 반복적으로 공정을 시도하게 되면 제작 시간 및 재료의 소모가 커서 효율이 떨어지게 된다. 이러한 점을 보완하기 위해 우리는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 불량을 예측하거나 제작 공정을 안정화 시킬 수 있다.
ANSYS는 Additive Manufacturing 시스템을 사용하면 금속 재료에 대한 Powder Bed Fusion(PBF) 기술을 사용한 적층가공 해석을 수행할 수 있다. 그림 5와 같이 제품(출력물)과 하부 베드(빌드 플렛폼) 또는 제품 지지부를 모델링하고 적층가공 공정 변수(재료 용융 온도, 레이어 두께, 레이저 속도 등)를 입력하여 과도 열전달 해석 및 정적 구조해석을 수행할 수 있다.
그림 6에는 타 프로그램과 ANSYS 결과를 실험 결과와 비교하였다. 실험데이터의 패턴이 ANSYS 결과에서 더 유사한 것을 알 수 있으며, ANSYS로 수행한 적층가공 해석의 정확도에 대한 신뢰도를 확인할 수 있다.
맺음말
이번 화에서는 ANSYS에서 수행하는 사출품 및 적층가공품에 대한 해석을 소개하였다. 사출품의 경우, ANSYS MoldSim을 사용하여 사출해석 결과를 사용한 사출 - 구조 연성해석이 가능했다. 적층가공품은 Additive Manu-facturing 시스템을 사용하여 적층공정 중에 적용되는 열과 그에 대한 변형을 계산할 수 있음을 확인했다. 이어서 연재될 3화에서는 “ANSYS를 이용한 적층형 복합재 해석 및 멀티스케일 해석”이란 주제로 다양한 복합재료 및 다공성 재료, 미세패턴이 반복되는 구조물에 대한 해석을 소개할 예정이다.
