적층 제조 고려 설계를 위한 함수장 기반 CAD 시스템 개발

안재승,도재혁,박상인 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.7

Design for additive manufacturing (DfAM) approach is a design method to utilize benefits from the implementation of additive manufacturing. In this approach, all design information in geometries, materials, and manufacturing processes domains are efficiently integrated. However, existing computer-aided design (CAD) systems cannot efficiently support DfAM activities because all design information including materials and manufacturing process conditions should be represented by only geometric information. The goal of this study is to develop a field-driven CAD system to support DfAM activities. To achieve the goal, shape modeling techniques based on implicit representations were implemented, and methods to create and utilize shape-material-process function fields for DfAM approaches were proposed. To validate the effectiveness of the proposed CAD system, DfAM activities including local shape modification, cellular structure generation, and AM process optimization were performed, and the results showed that the CAD system efficiently supported the DfAM approaches. 적층 제조 고려 설계는 설계 단계에서 적층 제조의 장점을 활용하는 설계 기법으로 제품의 형상, 사용되는 재료, 적층 공정의 정보가 모두 고려된다. 그러나 기존의 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어들은 형상 정보만을 이용해 형상, 재료 및 공정에 대한 정보를 표현하기 때문에 모든 정보를 복합적으로 고려하는 적층 제조 고려 설계 기법을 효율적으로 지원하기 어렵다. 본 연구에서는 적층 제조 고려 설계를 효율적으로 지원하기 위한 함수장 기반 CAD시스템을 구축한다. 이를 위해 음함수 기반 형상 표현 기법을 구현하고, 적층 제조 고려 설계를 지원하기 위한 형상-재료-공정 함수장의 생성과 활용 기법을 개발한다. 구축된 CAD 시스템을 사용하여 적층 제조를 고려한 국부 형상 수정, 격자 구조물 생성, 적층 제조 공정 최적화를 수행하였고 그 효용성을 확인하였다.

빅데이터 기반 적층제조 분석 플랫폼

허태상,정대용,김남규,황규현,김명일,서동우 한국정보통신학회 2023 한국정보통신학회논문지 Vol.27 No.8

Additive manufacturing is widely used in a variety of industries and is growing rapidly, but there are also technical challenges to be addressed, including production speed, material selection, product size limitations, precision and overall product quality. In addition, real-time data-based process monitoring, diagnosis, control, evaluation, and prediction technologies are desperately needed to develop these industries, and since manufacturing processes are expected to generate vast amounts of data in various forms, advanced analytics using operational data is essential demanded. In this study, we examine the domestic and international manufacturing status and government policy direction, and consider the big data platform and core technologies for additive manufacturing. In particular, by using big data generated during the additive manufacturing process and analysis process, product design improvement, product quality control, preemptive maintenance, efficient process support, and manufacturing environment optimization are aimed at improving reliability and efficiency. We will discuss the design and implementation of an additive manufacturing analytics platform. 적층제조는 다양한 산업에서 광범위하게 활용되며 급속히 성장하고 있지만, 생산 속도, 소재 선택, 제품 크기 제한, 정밀도 및 전반적인 제품품질을 포함한 해결해야 할 기술적 과제도 있다. 또한, 이런 산업을 발전시키기 위해서 실시간 데이터 기반 공정 모니터링, 진단, 제어, 평가 및 예측기술이 절실히 필요하며, 제조 프로세스는 다양한 형태의 많은 양의 데이터를 생성할 것으로 예상하므로 운영 데이터를 활용하는 고급 분석이 요구된다. 본 연구에서는 국내외 제조 현황과 정부 정책 방향을 살펴보고, 적층제조를 위한 빅데이터 플랫폼과 핵심기술을 고려한다. 특히 적층제조 공정 및 분석과정에서 발생하는 빅데이터를 활용하여 제품의 설계향상, 제품의 품질관리, 선제적 유지보수, 효율적인 프로세스 지원, 제조환경 최적화를 통해 신뢰성과 효율성 향상을 목표로 빅데이터 기반의 적층제조 분석 플랫폼의 설계 및 구현에 대해 논의하고자 한다.

위상최적화와 적층제조의 결합을 통한 항공부품 개발

김태욱(Tae-Uk Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

적층 제조(Additive Manufacturing)는 기존 기계가공으로 제작이 힘든 형상을 구현할 수 있어, 경량 구조 개발 및 맞춤형 제작이 필요한 항공분야에서 활용도가 점점 높아지고 있다^(1~4). 적층 제조를 적용할 경우, 형상이 복잡하여 개념설계 단계에서 주로 활용하던 위상최적화(Topology Optimization) 결과를 최종 형상에 가깝게 제작할 수 있고, 중량 대비 하중지지 효율과 열전달 및 충격흡수 성능이 우수한 격자(Lattice) 구조의 활용도 가능해진다. 이 논문에서는 위상최적화를 통한 항공기 부품 경량 설계 및 적층 제조까지의 과정을 제시한다. 먼저 부품 제작 전에 해석 및 설계에 적용할 물성치를 확인하는 것이 필요한데, 적층 제조의 경우 기계적 성질이 적층 방향, 열처리와 HIP(Hot Isostatic Pressing) 등의 후처리 공정에 따라 달라지기 때문이다. 티타늄 합금 계열인 Ti6Al4V를 사용하여, 수직과 수평 방향, 열처리 및 HIP 공정 적용 여부에 따라 5 개씩의 시편을 제작하고, 인장시험을 수행하여 기본 물성 데이터를 확보하였다. 최적화를 적용한 대상은 착륙장치 구성품 중 토크링크(Torque Link)이며, 기존에는 단조로 제작하는 부품이다. 토크링크는 피스톤과 실린더를 연결하는 두 개의 링크가 핀으로 체결되는 구조인데, 응력해석 결과 추가적인 중량절감 가능성이 높은 것으로 판단되었다. 위상최적화는 SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization) 기반의 Solver를 사용하는 상용 코드인 Altair OptiStruct를 이용하였다. 한편 Lattice optimization 은 2 단계로 이루어진다. 1 차 위상 최적화의 결과로 0(Void)과 1(Solid)사이의 Element density를 얻게 되는데 적절한 Threshold를 설정하여 중간 밀도 요소를 Beam으로 대체하고, 다시 Beam 요소의 두께 최적화 과정을 거쳐 최종 결과를 얻게 된다. Lattice optimization 결과는 기존 위상 최적화와 비교하여 뛰어난 중량절감 효과를 보이며, 이는 적층 제조와의 결합으로 얻는 장점으로 생각할 수 있다. 위상 최적화 결과를 적층 제조에 적용하기 위해 통상 STL(Stereolithography) 파일을 만들게 되는데, 이 과정에서 미세한 형상 수정 과정이 요구될 수 있다. 불규칙한 표면과 뾰족한 모서리를 수정하고, 최적화 과정에서 생성된 불필요한 미세 Hole 등을 제거하여 구조 성능에 영향을 주지 않는 범위에서 제작성을 향상시킨다. 특히 격자 구조 제작의 경우, Build simulation 단계에서 Support structure 가 필요한 영역이 확인된다면 이의 지지를 위한 보강 스킨을 추가로 생성해야 할 필요가 있다. 시제품은 DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 방식의 EOS M290 장비를 사용하여, 일반 위상최적화 및 격자구조 최적화 모델을 각각 제작하였다. 시제품에 대해서는 구조시험을 수행하고 기존 제품과의 성능 비교를 통해 실제 적용 가능성을 확인하는 일이 추가로 필요하다. 또한, 적층 제조 방식의 항공부품 적용을 위해서는 공정 표준화를 통한 반복성 확인과 시험 및 인증 절차에 대한 연구가 병행되어, 제품 신뢰성을 확보할 수 있어야 한다. The topology optimization (TO) has been usually applied in the conceptual design stage, because the configurations from optimization results are too complex to produce by conventional machining process. The emergence of additive manufacturing (AM) makes it possible to realize TO results as near net shape, hence a combination of TO and AM is attracting increasing research interests. Aerospace field is also applying the AM technology to more parts development to achieve lightweight and customized designs. This paper presents a case study of the lightweight design of a landing gear part using TO and implementation via AM process.

항공 부품 수리를 위한 DED 레이저 적층 공정 조건 및 적층 경로 최적화에 대한 연구

이재한,이춘규 한국기계기술학회 2022 한국기계기술학회지 Vol.24 No.5

Additive manufacturing is a new approach to design and production. This applies in particular to processes such as repair and rework of selected components. Additive manufacturing can produce almost any shape, and from an MRO part perspective, additive manufacturing offers tremendous advantages. The special feature of additive manufacturing is that it is particularly economical for small-volume production as the number of units is irrelevant compared to the existing manufacturing process. The purpose of this study was started from the MRO point of view, and it Identify changes and respond to the Blisk It is a study on the effect of changing the conditions on the path of the toolpath and the CAM during additive manufacturing using CAM after finding suitable conditions. metal powder.The metal powder withstands various corrosive environments and age hardening occurs very slowly. Inconel 718, which can be used in various applications such as nuclear facility-related parts, aerospace, oil facilities, turbines, and valves, was used. This is SUS 316L with good high temperature strength. The variable of the laser used in the study is the laser power, and the variables on the CAM are Operation, Stepover, Pattern, etc. In the relation between laser power and feed, when feed is specified as 500mm/min, laser power of 700W was most suitable. As for the conditions on NX CAM, ADDITIVE PROFILE Stepover was 0.8mm for Operation, and Infills and Finish for Pattern. When stacking, each layer should be overlapped with the result. Therefore, the stepover should be smaller than the laser spot size and reprocessing should be done in terms of repair, so infills and finish were applied to work larger than the actual product shape.

Korean Terminologies for Additive Manufacturing according to the ISO/ASTM 52900 Standard

이인환(In Hwan Lee),김호찬(Ho-Chan Kim),안동규(Dong-Gyu Ahn) Korean Society for Precision Engineering 2020 한국정밀공학회지 Vol.37 No.12

Additive manufacturing processes have been called by a wide variety of terms since the early days of development. As these names are often mixed academically and industrially, the demand for standardization of terms has gradually increased. Accordingly, the American Society for Testing Materials (ASTM) and the International Organization for Standardization (ISO) are in the process of establishing standards for the names and definitions of important terms related to additive manufacturing. Although Korea has also begun to establish KS standards based on ISO/ASTM standards, the Korean language and definitions of important terms related to additive manufacturing as defined by ISO/ASTM have not been fully organized. Therefore, the similar terms defined in ISO/ASTM in many academic and industrial literature are called by various Korean terms. Thus, this work deals with suggestions on the Korean terminologies and standardization of important terms related to additive manufacturing based on ISO/ASTM standards. Especially, this paper deals with the Additive Manufacturing and seven sub-process classifications.

적층 제조 고려 설계에 기반한 연질 소재 유도탄 보호 덮개 설계 및 제작

김재연,이상명,고민석,안성익,신규태,박재민,이길용,권순조 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集A Vol.47 No.10

Additive manufacturing is advantageous for low-volume production of various products as it is not constrained by the product shape. In the defense industry, additive manufacturing has been applied in various manners to meet the demand for low-volume production of various products. We designed and manufactured a protective cover for a guided missile using additive manufacturing. To achieve this, design requirements, such as size, weight, fixation, protection, surface condition, usability, and environmental conditions, were established through actual users. Based on these requirements, a design was proposed that satisfied the requirements by incorporating additive manufacturing design guidelines and lattice structures. The design was validated through simulation and the prints were tested and verified through various inspections and experiments. The final protective cover had no usability issues after environmental testing.

치수정확도와 기계적 물성치를 고려한 IN718 재료의 적층제조 공정 최적화 연구

허재성(Jae Sung Huh),박은주(Eunju Park),김남훈(Namhun Kim),이동호(Dong Ho Rhee) 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集A Vol.43 No.7

적층제조는 설계 자유도 극대화, 소재 절감, 공정 단순화 등의 다양한 이점을 제공하고 있어 현재 많은 연구와 함께, 의료, 자동차, 항공우주 분야 등의 다양한 분야에 적용을 시도하고 있다. 기존의 제조방식과 유사하게 각 부품을 제작하기 위해서는 최적화된 공정 변수를 결정하는 과정이 필요하며, 이는 많은 시간과 노력이 필요한 과정이다. 본 연구에서는 금속적층제조에서 많이 활용되는 고온소재인 In718 소재에 대하여 실험계획을 수립 후, 이에 따라 소형의 정육면체 시편을 제작하고 치수와 경도를 측정하여 ANOVA 및 회귀모델 분석을 통해 공정을 최적화 하였다. 다양한 공정 변수 중에서 분말에 전달되는 에너지 밀도와 관련된 4개의 공정 변수를 인자로 선정하였으며, 치수 정확도와 기계적 특성을 대표하는 성능함수를 적용하여 최적화를 수행하였다. 그 결과 두 성능함수의 조합에 따라 상이한 최적 공정이 도출되었다. Additive manufacturing has various advantages, such as infinite design freedom, the reduction of material consumption, and process simplification. It is currently being applied to various fields (including the medical, automobile, and aerospace industries), and extensive research is being conducted in this area. To manufacture a specific part, it is necessary to determine optimized process parameters similar to the existing fabrication method, which requires significant time and effort. In this study, the design of experiments was established for optimizing the additive manufacturing process of Nickel base superalloy IN718, which is widely used in the direct metal laser sintering process. Cubic specimens were manufactured, the dimensions and hardness (as the performance functions) were measured, and finally, the process was optimized through ANOVA and regression model analysis. The analyses show that different optimum process parameters were derived depending on the combination of two performance functions.

적층제조를 고려한 농업용 근력 보조 외골격 슈트의 설계

박관형(Kwanhyung Park),윤해룡(Haeyong Yun),조용준(Yongjun Cho),홍형길(Hyunggil Hong),장선호(Sunho Jang),강민수(Minsu Kang),김재효(Jaehyo Kim),김호찬(Hochan Kim) 한국기계가공학회 2022 한국기계가공학회지 Vol.21 No.12

Because there are few constraints on the structure design of a product in manufacturing, additive manufacturing technology aids to the simplification of many manufacturing processes in numerous industries. In instance, as compared to traditional cutting, casting, and clay modeling, it is able to produce prototype models relatively rapidly and simply. This is especially useful when employing additive manufacturing technologies to create robots or wearable platforms with complex shapes and many considerations. This article presents an application case for a wired power transmission type wearable suit system for a single actuator, with the assumption that it will be created using additive manufacturing technology to address issues with existing agricultural wearable robots.

금속 적층제조 방식을 이용한 SUS316L 시편의 공정 파라미터 및 금속 분말 재사용에 따른 변형량 변화 분석

김민수(Min Soo Kim),김지윤(Ji-Yoon Kim),박은교(Eun Gyo Park),김태민(Tae Min Kim),조진연(Jin Yoen Cho),김정호(Jeong Ho Kim) 한국항공우주학회 2022 韓國航空宇宙學會誌 Vol.50 No.4

금속 적층제조 공정 중 발생할 수 있는 잔류응력은 3D 프린팅을 통한 정밀한 금속 부품 제작을 위해 적절히 통제되어야 하는 중요한 요소이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 잔류응력에 영향을 끼치는 요인에 대하여 실험적인 방법을 이용하여 고찰하였다. 실험을 위해 적층제조 공정을 통해 시편을 제작하고 이를 절단하여 변형량 측정을 수행하였으며, 측정된 데이터를 curve fitting 등의 방법을 이용하여 적절히 보정함으로써 공정 파라미터 및 금속 분말 재사용 여부가 금속 적층제조공정에서 발생한 잔류응력으로 인한 변형에 끼치는 영향을 정량적으로 분석할 수 있는 자료를 확보하였다. 이 결과로부터 금속 적층제조 공정에서 잔류응력으로 인한 변형의 크기에 가장 큰 영향을 끼치는 요소는 금속 분말 재사용 여부임을 확인하였다. 또한 레이저의 패턴, 적층 회전 각도와 같은 공정 파라미터도 변형 크기에 영향을 줄 수 있는 것을 확인하였다. Residual stress that can occur during the metal additive manufacturing process is an important factor that must be properly controlled for the precise production of metal parts through 3D printing. Therefore, in this study, the factors affecting these residual stresses were investigated using an experimental method. For the experiment, a specimen was manufactured through an additive manufacturing process, and the amount of deformation was measured by cutting it. By appropriately calibrating the measured data using methods such as curve fitting, it was possible to quantitatively analyze the effect of process parameters and metal powder reuse on deformation due to residual stress. From this result, it was confirmed that the factor that has the greatest influence on the magnitude of deformation due to residual stress in the metal additive manufacturing process is whether the metal powder is reused. In addition, it was confirmed that process parameters such as laser pattern and laser scan angle can also affect the deformation.

정하중을 받는 구조물의 적층 제조를 위한 적응적 가중치 적용 동시 위상최적설계

조재훈(Jae Hun Jo),이중석(Joong Seok Lee) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.9

적층 제조는 전통적인 방식에서는 구현하기 어려운 복잡한 설계의 구조물을 효과적으로 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다. 반면에 구조물 전체를 순차적으로 적층하여 제조하기 때문에 공간적으로 돌출되거나 떠있는 부분이 제조 과정에서 변형되거나 심지어 파괴되는 문제가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 위상최적설계 기법을 이용하여 정하중을 받는 주 구조물과 적층 제조 과정에서 주 구조물의 자중을 떠받치는 역할을 하는 지지부를 동시에 설계한다. 위상최적설계 수식화에 있어 주 구조물과 지지부를 포함하는 전체 구조 간의 변형률에너지의 비를 목적함수 내의 다중 물리량의 상대적 중요도를 조절하는 적응적 가중치로 정의한다. 주 구조물과 지지부의 물성치를 정규화된 값으로 설정하여 다양한 설계 예제에 대하여 물성치의 변화에 따른 설계 결과에의 영향을 비교 분석한다. The additive manufacturing method has advantages for effectively manufacturing structures of complicated designs that are difficult to address by using traditional methods. Because the structure is built by sequential stacking entirely, however, the overhang or floating regions may be deformed or even fail during the additive manufacturing process. In this work, we design the main structure under a static load and the support parts for the main structure simultaneously using topology optimization for additive manufacturing. In the topology optimization formulation, the weighting factor determining the relative contribution of multiple quantities in the objective function is defined as a ratio of the strain energy of the main structure to that of the whole structure including support parts. By normalizing the material properties of the main structure and the support parts, the effects of the properties in the results are investigated for various design examples.