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FEM 해석을 통한 표준 시편에 대한 금속 3D 적층 제조 공정 최적화 및 검증
염미정(Mi-jeong Yeom),이춘우(Chun-Woo Lee),남궁인(Ihn Namgung) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
금속 3D 프린팅 경우, 금속 분말 (PBF 방식의 경우)을 레이저 등의 열원을 사용하여 용융시키고 냉각하는 과정을 반복하는 공정의 특성 상 기존의 전통적인 제작 방식과는 다른 여러 문제를 가지고 있다. 대표적으로 내부 기공 발생으로 인한 기계적 물성 저하, 과도한 잔류 응력 및 열변형 등의 공정상 문제가 있다. 따라서 사용하는 소재 및 장비에 적합한 물성치를 구하는데 많은 시간과 비용이 소요된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 컴퓨터를 사용한 AM 공정 시뮬레이션을 통해 적층 공정에 필요한 최적 변수를 구하여 실제 적층 공정의 시행착오를 획기적으로 줄일 수 있다. 본 연구에서는 ANSYS Additive Suite를 이용하여 AM 공정의 최적화를 수행하였다. ANSYS Additive Suite에서 제공되는 재료 물성치를 사용하여 단일 비드 성형 및 육방체 성형에 대한 다공성 시뮬레이션을 수행하여 적층공정의 중요한 변수인 레이저 파워, 스캔 속도, 해치 간격 등 공정 변수를 구한다. 이 변수를 활용하여 표준 시편을 장비에서 출력하고, SSF(변형률 스케일링 계수)와 ASC(이방성 변형률 계수) 값을 구한다. 이렇게 구한 변수들은 재료에 따라 달라지며 최종 적층 제조 시뮬레이션에 적용된다. 이 변수들를 사용하여도 최종 출력물은 열변형 및 서포트의 영향으로 요구되는 설계와 일치하지 않는다. 따라서 최소의 설계를 변경하여 보상설계 함으로써 열변형 및 서포트의 제거로 인한 변형을 상쇄할 수 있다. 본 연구에서는 적층 제조 공정 최적화와 표준 시편을 이용한 보상설계 방법에 대해 서술한다. Metal 3D printing works by repeated process of melting and cooling of metal powders(in case of PBF technology), and therefore it creates problems that are different from traditional manufacturing method. Typically, there are unwanted deformation and deterioration of mechanical properties due to the thermal deformation and porosity. The process of finding optimal AM parameters is also time-consuming and costly. We can dramatically reduce this trial and error process by simulating AM process in computer. In this study, ANSYS Additive Suite is used to optimize the AM process. Using ANSYS software and the material property provided in the software, single bead and porosity simulation is conducted to find out important process parameters such as laser power, scan speed, hatch spacing, etc. Next, standard specimen is fabricated using AM machine and obtain SSF (strain scaling factor) and the ASC (anisotropic strain factor) parameters. These parameters are specific to the material and are used in the final step of AM simulation. These parameters produces products that is affected by thermal deformation and supports and is different from original design. Hence compensation of original design is done to cancel out thermal deformation and deformation due to removal of supports. This study presents a simulation of AM process and design compensation method with standard specimen.
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