윤석철
(Seok-Chul Yun)
1
박영
(Young Park)
2
신재호
(Jaeho Shin)
†iD
-
(Dept. 3D printing, industry-university cooperation foundation, Hanbat National University,
Korea.)
-
(Dept. of Electrical Engineering, Hanbat National University, Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Additive Manufacturing, Eye-shaped Catenary Clamp, Thermal History Simulation, Strategy Optimization, SUS316L
1. 서 론
적층제조(Additive Manufacturing, AM)는 3차원 모델을 기반으로 재료를 적층하여 제품을 제작하는 제조 기술로, 복잡한 형상이나
내부 구조를 가진 부품을 고효율적으로 생산할 수 있다는 장점이 있다[1]. 적층제조 기술은 의료, 항공우주, 자동차 등 다양한 분야에 활용되고 있으며, 특히 고속철도 전차선로에서 사용되는 아이형 현수클램프와 같은 부품에
대해서는 적층제조를 통해 제조 기간을 단축하고 경량화를 도모할 수 있다[2][3].
아이형 현수클램프는 전선의 현수를 지지하는 부품으로, 전선의 직경에 따라 다양한 규격이 필요하다. 기존의 아이형 현수클램프는 주조 방식으로 제작되었으나,
이 경우 금형의 제작 비용과 시간이 많이 소요되고, 금형의 교체가 어렵다는 단점이 있다. 따라서 적층제조 방식을 적용하여 아이형 현수클램프를 제작하는
경우, 금형의 필요성을 제거하고, 형상의 변경이 용이하며, 재료의 낭비를 줄일 수 있다[3].
본 연구에서는 적층제조 방식 중 하나인 Powder Bed Fusion (PBF) 방식을 이용하여 아이형 현수클램프를 제작하였다. PBF 방식은 금속
분말을 레이저나 전자빔으로 용융시켜 적층하는 방식으로, 고강도와 고정밀도의 부품을 제작할 수 있다[4][5]. 본 연구에서는 기존의 주조 재료인 CuAl10Fe2 대신에 적층제조에 적합하고 열처리 후 강도와 인성이 설계 기준을 만족하는 SUS 316L 재료를
사용하였다[6]. 또한 적층제조 과정에서 발생하는 열 변형과 잔류 응력을 최소화하기 위해 열 이력 시뮬레이션 및 전략 최적화를 수행하였다[7][8]. 최적화된 적층전략은 서포트를 추가하면서 시뮬레이션을 통해 검토하였으며, 시뮬레이션 결과와 실제 실험 결과를 비교하여 시뮬레이션의 정확성을 검증하였다[9][10]. 본 연구의 목적은 적층제조된 아이형 현수클램프의 열적 거동과 미세조직을 시뮬레이션으로 예측하고, 그에 따른 적층 전략을 최적화하는 것이다.
2. 본 론
2.1 기존 적층 전략 적용
3D Systems社의 적층 전략 프로그램 (3D Expert)를 활용하여 아이형 현수클램프의 서포트를 생성하였으나, 열 배출이 원활하지 않은 부위에서
변형이나 파손이 발생하였다. 이에 열 배출 검토를 위한 시뮬레이션을 제안하고, 출력 결과물과 시뮬레이션 간의 맵핑을 수행하여 기존 적층전략의 문제점을
분석하였다. 기존 적층전략의 문제점을 해결하기 위해, 서포트를 추가하는 방식으로 적층전략을 개선하였으며, 개선된 적층전략을 적용하여 아이형 현수클램프를
다시 적층제조하였다. 개선된 적층전략은 열 이력 시뮬레이션을 통해 열 배출 상태를 확인하였고 적층 제조 결과 열 배출이 원활하여 변형이나 파손이 발생하지
않았다.
2.1.1 3D Expert를 활용한 서포트 설계
본 연구에서는 아이 형 현수클램프의 적층제조를 위해 3D Expert라는 적층 전략 프로그램을 사용하였다. 3D Expert는 적층제조 과정에서 발생하는
열 변형과 잔류 응력을 최소화하기 위해 출력 부품의 형상에 맞는 서포트와 적층 경로를 설계하는 프로그램이다. 3D Expert를 사용하여 아이형 현수클램프의
형상 조건에 기반한 서포트를 생성하였으며, 그림 1에 보여주었다.
그림 1. 3D Expert로 생성된 서포트
Fig. 1. Supports Generated Using 3D Expert Software
2.1.2 적층제조 결과물 분석
3D Expert로 생성된 서포트와 적층 경로를 바탕으로 아이 형 현수클램프를 PBF 방식으로 적층 제조하였다. 적층 제조된 부품은 그림 2와 같이 열 배출이 원활하지 않은 부위에서 변형이나 파손이 발생하였다. 이러한 실패 영역은 열 배출 검토를 위한 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있으며,
그 결과를 그림 3에 보여주었다.
그림 2. 적층제조된 아이형 현수클램프
Fig. 2. Eye-Shaped Catenary Clamp Manufactured by L-PBF
그림 3. 열 배출 검토를 위한 시뮬레이션 결과
Fig. 3. Simulation Results for Heat Dissipation Evaluation
2.2 열 배출 검토를 위한 시뮬레이션 제안
본 연구는 3D Expert 소프트웨어의 열 배출 검증 기능 부족을 극복하기 위해, vAMpire를 활용한 열 배출 검증 방법론을 개발하였다. vAMpire는
금속의 열전도도, 비열, 밀도, 용융점 등의 물성값을 기반으로 적층 과정의 열 이력을 예측하는 시뮬레이션 소프트웨어이다. 본 연구에서는 적층 성공률을
높이기 위해 적층 제조 과정에서의 실패 경향을 분석하고 성공 가능성을 높이기 위해 정량적인 성공과 실패 범위를 명확히 설정하였다. 시뮬레이션을 통해
실패 영역에서 금속 온도가 용융점 이상으로 상승하거나 급격하게 감소하는 부위를 파악할 수 있으며, 이는 금속의 국부적인 팽창과 냉각 후 수축을 통해
서포트의 파손이나 변형이 일어나는 부위를 예측하는 데 활용될 수 있다.
2.2.1 출력 결과물과 열 배출 시뮬레이션 간 맵핑
출력 결과물과 열 배출 시뮬레이션의 결과를 비교하여, 출력 결과물과 시뮬레이션 간의 맵핑을 수행하였다. 맵핑은 출력 결과물의 형상과 시뮬레이션 결과를
일치시키는 과정으로, 본 연구에서는 출력 결과물의 실패 영역에 대한 분석을 위해 수행하였다. 맵핑을 통해 출력 결과물의 품질에 영향을 주는 과열 온도
범위 값 (780 – 815℃)을 추출할 수 있으며, 그 결과를 그림 4에 보여주었다. 이는 과열 양상이 재료의 강도를 현저히 저하하는 750℃ 이상의 조건[11]에서 발생하는 적층 실패 현상으로 확인된다.
그림 4. 출력 결과물과 열 배출 시뮬레이션 간의 맵핑 결과
Fig. 4. Mapping Results between the Manufactured Output and Heat Dissipation Simulation
2.3 시뮬레이션 기반 적층 전략 개선
맵핑 데이터를 바탕으로 기존 적층전략의 문제점을 분석하였다. 분석 결과, 기존 적층전략은 열 배출이 원활하지 않은 부위에서 적층부의 팽창으로 서포트
접합부가 변형되거나 수축 변형에 따른 파손의 문제가 있었다. 이에 따라 열 배출이 원활하지 않은 부위에서는 금속 온도가 과도하게 상승하였으며, 이는
제품의 추가적인 변형이나 파손을 유발하였다. 기존 적층 전략의 문제점을 그림 5에 보여주었다.
그림 5. 기존 적층전략의 문제점
Fig. 5. Issues with the Conventional Support
2.3.1 적층전략 개선을 위한 서포트 추가 설계
기존 적층 전략의 문제점을 해결하기 위해, 서포트를 추가하는 방식으로 적층 전략을 개선하였다. 서포트를 추가하는 방식은 열 배출이 원활하지 않은 부위에
적합한 온도까지 열 배출이 원활하게 이루어질 수 있도록 서포트를 추가하면서 시뮬레이션을 통해 검증하는 방식이다. 블록 서포트는 적층 높이 방향뿐만
아니라 적층 평면 방향으로도 열이 효과적으로 전파되는 구조적 특성이 있어 과열 문제를 완화하는 데 적합하다[12]. 본 연구에서는 3D Expert의 블록 서포트 추가 기능을 사용하여 서포트를 설계하였으며, 그 결과를 그림 6 과 그림 7에 보여주었다.
블록 서포트는 육각 패턴으로 패턴의 크기는 1.5mm로 정하였고, 시뮬레이션 결과에 따라 추가적인 열 배출이 필요한 부분에는 파워 서포트를 추가하였다.
열 이력 시뮬레이션을 통해 과열 부위를 파악하고, 필요한 경우 서포트를 추가하여 적층 전략을 반복적으로 수정하였다. 블록 서포트 이외에 추가된 서포트는
그림 6에서 초록색으로 표현하였다.
그림 6. 열 확산 촉진을 위한 서포트 설계
Fig. 6. Support Design to Promote Heat Diffusion
그림 7. 서포트 추가 설계
Fig. 7. Additional Support Design
2.3.2 개선 전략 적용 및 출력 검증 수행
개선된 적층 전략을 적용하여 아이형 현수클램프를 다시 적층 제조하였다. 적층 제조된 부품은 그림 8과 같이 열 배출이 원활해지면서 변형이나 파손이 발생하지 않았다. 또한 열 배출 시뮬레이션을 통해 열 배출 상태를 확인하였으며, 그 결과를 그림 9에 보여주었다. 열 배출 시뮬레이션의 결과에 따르면, 적층제조 과정 중 출력 면의 온도는 출력물 전체에서 680℃ 를 넘지 않았다. 개선된 적층 전략은
열 배출이 원활하지 않은 부위에서 금속 온도가 용융점 이상으로 상승하거나 급격하게 감소하는 것을 방지하였으며, 이는 금속 적층 제조의 완결성에 긍정적인
영향을 미친다.
그림 8. 적층 전략 개선 부품 출력 결과
Fig. 8. Output of the Eye-Shaped Catenary Clamp with Improved Support Strategy
그림 9. 적층 전략 개선 시뮬레이션 결과
Fig. 9. Simulation Results of the Improved Support Strategy
3. 결 론
본 연구에서는 고속철도 전차선로에서 사용되는 아이형 현수클램프의 적층 제조를 위해 열 이력 시뮬레이션 및 전략 최적화를 수행하였다. 특히, 본 연구에서
개발한 열해석 기반의 방법론은 3D Expert SW의 기능적 한계를 극복하고, 적층 제조 과정의 성공률을 높이는 데 중요한 역할을 할 수 있다.
이 방법론을 통해, 열 배출이 원활하지 않은 부위에 대한 정량적이고 구체적인 적층 전략을 최적화하였으며, 시뮬레이션 결과와 실제 실험 결과의 비교를
통해 적층 전략 개선 방법의 정확성을 입증하였다.
본 연구의 결과는 아이형 현수클램프의 적층 제조에 대한 유용한 지침을 제공할 수 있으며, 다른 복잡한 형상의 부품에도 적용할 수 있다. 또한 본 연구에서
사용된 열 이력 시뮬레이션 및 전략 최적화 방법은 적층 제조 과정에서 발생하는 열 변형과 잔류 응력을 최소화하기 위한 효과적인 방법으로, 다양한 적층
제조 부품의 품질 향상에 기여할 수 있다.
Acknowledgements
This work was supported by the Korea Electronics Technology Institute(KETI) of
the Republic of Korea (No. 401C3901)
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저자소개
2007년 영남대학교 기계공학과(학사) 졸업, 2009년 영남대학교 기계공학과 졸업(공학석사), 현재 국립한밭대학교 산학협력단 3D프린팅사업단 책임연구원
2000년 성균관대 전기전자 및 컴퓨터공학부 졸업(공학석사), 2004년 동대학원 동학과 졸업(공학박사), 현재 국립한밭대학교 전기시스템공학 교수
2008년 한양대학교 기계공학부(학사) 졸업, 2014년 한양대학교 기계공학과 졸업(공학박사), 현재 한국전자기술연구원 책임연구원