시뮬레이션과 적층 가공기술을 통한 가공 설계기술의 가속화

By Mark Davey, Principal Engineer, Senior Flexonics Inc., Bartlett, USA

기계가공업자가 Senior Flexonics 엔지니어에게 새로운 소형 액체/기체 열 교환기의 방열관을 제작하려면 가공방법 검증 시 상당한 문제 해결 시간과 비용이 발생할 것이라고 이야기 했을 때, Senior Flexonics 엔지니어들은 ANSYS 소프트웨어로 관심을 돌렸습니다. 스탬핑작업 시뮬레이션에 ANSYS LS-DYNA를 활용함으로써 처음으로 올바른 프로그래시브 다이프로토타입을 설계할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 Senior Flexonics사 엔지니어들은 기존 공급자의 견적보다 95% 낮은 비용과 75% 적은 시간으로 툴 생산을 가능하게 하였습니다.

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Simulation and Additive Manufacturing Speed Tooling Design

SENIOR FLEXONICS 사는 다양한 산업과 모바일 분야에서 응용가능한 차세대 소형 액체/기체 열 교환기(HEX,Heat Exchanger)를 개발 중입니다. 튜브 내부 고온가스와 쉘 내부 냉각수의 열을 교환하는 핀 튜브를 사용함으로써 새로운 HEX는 기존 모델보다 더 작고 가벼워졌습니다. 하지만, 핀의 큰 종횡비는 프로그레스 다이 및 박판소재에 매우 높은 응력과 변형을 발생시켜 스탬핑 작업을 어렵게 하기 때문에 이러한 핀 튜브 제작은 매우 까다로운 과정입니다. 회사가 이 새로운 설계를 두 가공업체에 의뢰했을 때, 한 업체는 제조 불가하다고 답했으며, 다른 업체는 제대로 가공하기 위해 많은 시행 착오 과정이 필요하기 때문에 12주의 시간과, 6만달러 이상의 비용이 필요하다고 답했습니다. 결국, Senior Flexonics사의 엔지니어는 가공 장비 프로토타입 과정에 속도를 붙이기 위해 ANSYS LS-DYNA explicit dynamics software를 이용해 스탬핑 작업을 시뮬레이션하기로 결정하였습니다. 시뮬레이션은 기존의 프로그래시브 다이 설계 시 발생하는 문제들을 확인하고 고쳐주며, 적합한 재료를 선택하고, 원통 안에 핀시트를 벤딩하는 과정을 검증 할 수 있도록 도와주었습니다. 3차원 적층 제조(3D 프린팅)기술과 시뮬레이션을 활용해 개발된 가공기술은 처음으로 3천달러의 비용으로 단 3주만에 원하는 결과를 완벽하게 구현할 수 있게 되었습니다.

stamped fins

제조 공정의 첫번째 단계는 편평한 패턴으로 핀을 스탬핑하는 과정입니다.

progressive die simulation

이처럼 시뮬레이션은 엔지니어들이 좋은 품질의 핀을 생산해내는 새로운 프로그레스 다이를 개발할 수 있도록 도와줍니다.

"시뮬레이션은 수십 억 이상의 비용 절감과 제품 출시 일정을 제때 맞추도록, 초기 단계에 가장 적합한 다이를 확보 할 수 있게 해 줍니다."

차세대 HEX

Senior Flexonics사는 대형/중형 량/소형 트럭용, 고압디젤 연료 튜브용 및 레일 선로, 수관, 터보 오일 배수라인, 금속 벨로스, 피스톤 냉각 제트 및 복잡한 조립제품 등에서 필요한 EGR 냉각기뿐만 아니라 산업용 열 교환기를 생산하고 있습니다. Senior Flexonics엔지니어들은 온/냉 유동체 사이의 열 전도성을 높이기 위해 최신 HEX를 설계하였고, 이로써 소형화, 경량화 냉각기는 자동차 및 트럭 시장에 큰 이익을 가져다 주었습니다. 이러한 HEX를 만들기 위해, 엔지니어들은 열 교환기 내의 고온 가스와 냉각수 사이의 접촉 면적을 늘릴 수 있도록 튜브내에 세로 핀을 설계하였습니다.

Senior Flexonics사의 엔지니어들이 프로그레스 다이 툴 견적을 제시한 가공업체에게 이러한 핀 제작 공정이 필요하다 말했을 때, 공급업체들은 핀의 깊이가 스테인리스스틸 재질 성형 한도까지 성형해야 한다고 지적했습니다. 또한, 가공업체들은 최종 형상을 만들어 내는 툴 지오메트리를 사전에 예측하기가 매우 어려울 것이라고 말했습니다. 높은 응력집중 부위는 찢어질 가능성이 있다고 우려하였습니다. 또한, 설계 요건을 만족시키기 위해서는 수 많은 시행 착오가 과정이 필요할 것이라고 예상했습니다.

existing design

시뮬레이션을 통해 기존의 프로그레스 다이 설계에 의해 생성된 문제를 확인할 수 있습니다.
Stamping Press
스탬핑 프레스에 설치된 프린팅 툴
original vs 3D printed
Original tools (left) and 3D printed tools (right)

스탬핑 작업 시뮬레이션

Senior Flexonics사 엔지니어들은 자체적으로 툴을 내부적으로 장비를 설계하기로 결정하고, 제작을 위해 3D 프린팅 서비스 업체와 계약을 했습니다. 엔지니어들은 ANSYS LS-DYNA에 익숙하지는 않았지만, ANSYS의 친숙한 Workbench platform 덕분에 쉽고 빠르게 시뮬레이션을 설치할 수 있었습니다. 엔지니어들은 CAD 소프트웨어에서 초기 툴 디자인을 설계를 추출해 가져와 ANSYS Workbench 환경에서 CAD 모델을 열 수 있습니다. 또한, 엔지니어들은 Workbench 내 자동으로 정의되는 파트 설정 기능(오토멀티존 메소드)을 이용하여 유한요소 메시를 생성할 수도 있습니다. 엔지니어들은 17-4 PH 스테인리스 스틸소재를 적용하여 3차원 요소로 툴을 모델링하였고, 400시리즈 스테인리스 소재를 적용하여 2차원 요소로 로 원 소재를 모델링 하였습니다. 이 모델은 64230개의 절점과 67112개의 요소로 구성되어 있습니다. 공급용 이송 장치에서 꺼낸 재료의 스트립을 모델링하는데 있어서 코일에서 스트립을 풀고 프리텐션을 가하는 하중을 적용하기 위해 마찰 요소를 사용했다. 엔지니어는 안정적인 솔루션을 확보하기위해 다이의 각 스트로크에서 점진적 시작 및 감속을 제공하는 시간 의존 사인파 형태의 강제 변위 하중을 사용자 정의 함수를 이용하여 적용하였습니다.

ANSYS LS-DYNA는 38시간 동안 4번의 스탬핑 주기의 과도 해석 솔루션(transient solution)을 반복합니다. 시뮬레이션에서 변위 결과는 기존의 초기 툴 설계로 제작된 부분이 서로 평평해야 하는 크라운과 벽면 사이에서 말려들어가는 형태를 나타낼 것으로 보여주며, 핀의 루트 반경 또한 매우 크다는 것을 보여주었습니다. 스트립의 변형율 결과는 상당히 큰 것으로 나타났습니다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 Senior Flexonics사의 엔지니어들은 비틀림 변형문제를 개선하기 방지하기 위해 툴 장비의 기하학적 구조를 수정하였습니다. 또한, 과도한 변형율 발생(파손) 문제를 개선하기 위해 재료를 316L 스테인리스 스틸로 교체하였습니다. 몇 차례의 반복 작업 후, 시뮬레이션은 새로운 프로그레시브 다이 설계가 일부 올바른 형상을 생성하고 스트립의 첫 번째 핀에 일어 날 수 있는 찢어짐을 분열을 방지할 수 있다고 예측하였습니다. 장비의 응력 실험 결과는 장비가 성형 공정을 쉽게 견뎌낼 수 있음을 보여주었습니다. 이 시뮬레이션 결과를 바탕으로, Senior Flexonics사의 엔지니어들은 3D 프린팅 업체로부터 프로토타입 툴을 주문하였습니다.

compression bending

압축 벤딩 방식은 튜브를 완벽하게 밀폐하지 못하였습니다.

heat exchanger fins

First fins produced on existing tool matched simulation predictions.

튜브 성형 가공 시뮬레이션

프로그레스 다이의 배송을 기다리면서 Senior Flexonics사의 엔지니어들은 튜브 안에 삽입하기 위해 원통 내부에 핀 휜스트립을 형성하는 공정에 대한 개발을 진행하였습니다. 엔지니어들은 처음에는 압축 벤딩 현상을 시뮬레이션하기 위해 LS-DYNA을 사용하였습니다. 하지만, 시뮬레이션 결과에서는 이 접근법을 통해 핀의 양끝을 모아 완전한 원통을 만들수 없음을 보여주었습니다. 다음으로, 접선 와이핑 시스템을 시뮬레이션 하였지만, 이 방법 역시 완벽하게 원통을 만들 수 없었습니다. 마지막으로, 압연 공정으로 시뮬레이션 한 결과 상당히 더 나은 결과를 보여주었지만, 역시 완벽한 원통을 만들지는 못했습니다. 엔지니어들은 배출구의 지름을 줄여 압연 다이설계를 개선함으로써, 실린더가 툴에서 빠져나와 튜브안으로 삽입되게 만들었습니다. 시뮬레이션으로 이 접근법이 이음새 부분을 꽉 조이게 만들 수 있음을 확인한 후, 압연 다이 역시 3D 프린팅 업체를 통해 조달하였습니다.

프로토타입의 프로그레스다이를 받은 Senior Fleonics사의 엔지니어들은 이를 스탬핑 프레스에 설치하여 짧은 스트립을 동작시켰습니다. 결과는 시뮬레이션 결과와 유사하게 일치하였으며 모든 설계 사양도 만족하였습니다. 압연 다이는 정상적으로 동작함으로써 시뮬레이션 결과 와도 일치하였습니다. 시뮬레이션이 없었다면, 프로그레스 다이와 압연 다이모두 문제들을 다시 해결하기 위해 값비싼 수리 비용과 재제작 비용이 필요했을 것입니다. 이처럼, 시뮬레이션은 첫 발주에 완성도 높은 다이를 제작하는 것을 가능하게 해주면서 수천만 달러의 비용을 절감하고, 기업 역시 제품 개발 일정을 맞출 수 있게 되었습니다.

3D printed fins
최적화된 3D 프린팅 장비에서 생산된 두 번째 핀은 수정된 시뮬레이션 결과와 일치하였습니다.
rolling die simulation
2세대 압연 다이가 정확하게 튜브를 밀폐하였습니다.

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