[구조해석] 3D 프린팅 적층 가공 – Support 구조물을 적용한 Metal AM 해석

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안녕하세요 대성 에이스 엔입니다.최근’3D프린팅’이란 주제는 엔지니어링 분야에서 가장 중요한 문제입니다.3D프린터는 잉크 대신 플라스틱, 나일론, 금속 등 입체물을 만들 수 있는 재료가 들어가고 있습니다.3D프린팅, 즉 적층 가공 과정을 거쳐서 재료를 층층이 쌓아 모양을 만들어 3차원 물체를 만들어 낼 수 있지만 이런 3D프린팅은 복잡한 형상 디자인 출력이 가능하고 자유롭게 설계 변경이 가능한 때문에 신제품 발매 시간을 단축시킬 수 있고 제조 업계의 관심이 매우 뜨겁습니다.금속적층 가공기술이 활발하게 성장하는 가운데 ANSYS에서도 이러한 생산기술의 변화를 선도하여 Laser Powder Bed Fusion (PBF) 기술에 기반을 둔 ANSYS Aditive를 개발/인수하였으며, 향후 ANSYS Additive는 금속 AM 분야 뿐만 아니라 폴리머 AM 분야로도 확장할 예정이라고 합니다.오늘은 여러분들에게 Support구조물을 적용한 Metal AM분석을 소개하고자 하지만 ANSYS WB의 AM ACT를 이용하고 Support을 추가 후 3D printing제작 공정을 이용하여 제작되는 제품의 평가가 가능합니다.현장에서 Metal 3D printing제작 때 Support를 포함한 적층의 과정에서 열변형으로 초기 CAD모델과 최종 제작된 제품의 형상이 다른 부분을 해결하기 때문에 시행 착오를 경험하는 대신에 시뮬레이션으로 해결할 수 있습니다.

Metal AM 공정에서 제품을 제작하기 위해서는 적층하기 위한 Build plate와 고정하기 위한 Support가 필요합니다. 레이저로 Metal Powder를 급속 가열 냉각하는 과정에서 잔류 응력(Residual stress)과 왜곡(Distortion)이 발생하는데, Support가 충분하지 않을 경우 완성된 제품의 제작 정확도가 떨어지거나 제품 제작에 실패할 수 있습니다. 또는Support가과도할경우잔류응력에의해제품이파손될수있습니다.이런 문제점을 해결하기 위해서 AM ACT를 활용하고 Support구조물을 적용한 Metal AM해석을 하고, Metal 3D printing을 이용하여 제작되는 제품을 평가할 수 있습니다. AMACT는 아래 그림과 같이 Transient Thermal 및 Static Structural 해석으로 구성되어 있습니다.

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1.Transient Thermal제작하려는 제품은 아래와 같이 Base plate과 떨어졌으며 Support을 필요로 합니다.

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제품을 Metal 3D printing제작 공정을 적용하고 생산하는 데 다음과 같이 Cartesian Mesh생성 후 Support을 생성합니다.

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Metal 3D printing공정을 이용한 제품을 제작할 때 적용되는 초기 조건을 입력하고 Transient Thermal의 해석을 수행하면 아래 그림과 함께 Metal 3D printing적층의 과정에서 온도 분포를 확인할 수 있습니다.

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지금까지 AM ACT를 활용하고 Support이 적용된 Metal 3D printing제작 공정 등을 해석적으로 평가하는 방법을 설명했습니다. 현재 개발이 진행중인 ACT에서 다소 부족한 부분이 있으나 향후 현업에서 유용하게 적용될 것으로 기대합니다.

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