기계 성능을 최적화하는 적층 가공

생성(generative) 제조와 적층(additive) 제조가 점점 많은 산업 분야로 영역을 넓혀가고 있다. 이 글에서는 선삭 공정에서 어떤 점이 개선되고, 이후 첫 번째 부품 최적화까지 설명하려고 한다.

공학박사 베렌트 뎅케나(Berend Denkena) 교수: 하노버 라이프니츠 대학 생산기술 및 공작기계 연구소 IFW 지도 / 공학박사 벤야민 베르크만(Benjamin Bergmann): 하노버 라이프니츠 대학 연구소 기계 및 컨트롤 분과 지도 / 공학박사 하인리히 클레메(Heinrich Klemme): 하노버 라이프니츠 대학 연구소 기계 컴포넌트 분과 지도 / 공학박사 랄프 에크하르트 바이에르(Ralf-Eckhard Beyer) 교수: 함부르크 프라운호퍼 적층 생산기술 연구소(IAPT) 연구소장 / 하이코 블런크(Heiko Blunk): 동 연구소 연구원

핵심 내용

  • 적층 가공은 일반적인 방법으로 실현할 수 없는 내부 형상이나 외부 형상을 갖는 부품을 제작할 수 있다.
  • 적층 가공은 지금까지 유례가 없었던 재료와 무게를 줄일 수 있는 가능성을 제공한다.
  • 연구자들은 선반용 클램핑 시스템 등을 이용하여, 레이저 기반 SLM 가공으로 기계 엔지니어링을 개선하기 위해 연구하고 있다.

적층 가공의 쓰임새가 커지고 있다. 적층 가공은 전통적인 제조 방법으로 실현 불가능하거나 많은 비용이 들여야 가능했던 기능적인 부품을 최소한의 재료나 비용으로 제작할 수 있는 새로운 방법을 제시한다. 이번 프로젝트는 AddSpin (공작 기계를 위해 적층 가공한 구성 요소의 적합성 연구) 일환으로 공작기계 측면에서 적층 가공의 유용성을 연구하고 있다.

Index-Werke의 스위스 타입 자동 선반 클램핑 시스템의 최적화 핵심은 SLM(Selective Laser Melting) 가공이다. 예를 들어 가공을 통해 관성 모멘트를 줄이면 동적 특성이 향상되고 비생산 시간 줄어든다. 이 프로젝트는 산업 기술 연구조합(AiF)이 지원하고 독일 공작기계협회(VDW)가 워킹 그룹 5의 범위 내에서 협력하였다.

출발점과 프로젝트의 목표

공작 기계로 부품을 가공하는 과정에서 많은 시스템 구성요소를 가속하거나 감속해야 한다. 여기에는 선형 축 또는 메인 스핀들이 포함되며, 선반의 경우에는 기계적인 회전 요소가 이에 해당한다. 이렇게 가속과 감속이 이루어지는 동안에는 대부분 공작물이 가공할 수 없어 비생산 시간이 발생한다. 이처럼 시스템의 관성 모멘트가 높을수록 비생산 시간은 길어진다. 따라서 관성 모멘트 감소는 비생산 시간을 줄이는 잠재력이 높다. 동시에 관성 모멘트가 낮으면 가공 시간이 단축된다. 예를 들어 일정한 절삭 속도로 원뿔이 회전하는 경우이며, 가공 반경이 감소하거나 증가하면 공작물 속도를 지속적으로 변경해야 한다.

Index 클램핑 시스템은 회전 요소의 일부이며, 전체 질량 가운데 상당 부분을 차지한다. 이 클램핑 시스템은 Hydronic-hiestand Hydraulik & Elektronik GmbH의 공압식 스프링 컴프레서(30017-4-PNZ-Feder) 타입이다(그림 1). 이 시스템은 공작물을 클램핑하고 나사를 통해 나머지 회전 라인 또는 콜릿 척(그림에 없음)에 연결된다. 클램핑 시스템의 회전하는 부분이 공압 챔버를 통해 축 방향으로 변위된다. 압축 공기가 없으면 콜릿 척은 수 킬로 뉴턴의 최대 힘으로 닫힌다. 열릴 때에는 스프링 12개가 압축된다. 회전하는 동안 클램핑과 클램핑 이완은 최대 5000 min-1의 속도로 이루어지며, 이를 위해 스러스트 베어링이 제공되고, 회전 라인 작동 속도는 n=12.000 min-1이다.

프로젝트 팀은 질량 또는 관성 모멘트 감소와 관련하여 유망한 클램핑 시스템의 네 가지 구성 요소를 찾았다. 여기에는 스프링 하우징(AlZn5.5MgCu), 하우징 내 움직이는 부품, 스프링 와셔(16MnCr5) 및 커버, 스프링 커버(CF53)가 포함되었다. 기계가 작동 중일 때 이 구성품은 주로 스프링과 원심력에 의해 부하를 받는다. 비틀림 모멘트는 가속과 감속 과정의 결과로도 작용한다. 표시된 클램핑 시스템의 질량은 m = 12,500g이며, 회전 질량은 mrot = 3100g이다. 모든 회전 부품의 주축 관련 관성 모멘트는 Jzz = 2100 kg • mm²이다. 질량과 관성 모멘트 감소는 수치 토폴로지 최적화를 통해 구현된다. 정확하게 유한 요소 시뮬레이션 소프트웨어 ANSYS (버전 2019 R3)를 사용한다.

클램핑 시스템 시뮬레이션 모델

토폴로지 최적화 기본은 IFW에서 개발한 클램핑 시스템의 FE 시뮬레이션 모델이다. 그림 2는 적용 가능한 경계 조건을 보여준다. 초기 CAD 모델은 시뮬레이션할 하중의 효과를 정확하게 고려하기 위해 시뮬레이션을 위해 단순화하였다. 씰은 고려하지 않았으며 나사 머리는 기하학적으로 단순화하였다. 나사 체결부(예: 핀 샤프트, 나사 스프링 하우징)은 견고한 연결부로 간주한다. 따라서 이러한 몸체 간의 상대 운동이 억제된다. 스프링 하우징과 스프링 와셔 사이의 접촉 조건으로 ‘원통 베어링’이 적용된다. 이러한 방식으로 실제와 같이 와셔가 하우징 내에서 활주한다. 실제 시스템에서 솔리드 본체 접촉이 발생하는 추가 상황은 ANSYS에서 ‘마찰이 없는’ 것으로 정의한다. 연결 파트너의 접촉면은 서로 미끄러지고 떨어질 수도 있다.

그림 2: 시뮬레이션 모델 구조.

시뮬레이션이 빠르게 진행되도록 스프링은 솔리드 본체로 표시되지 않고 대신 덮개의 카운터 보어와 스프링 덮개 사이의 스프링 요소를 사용하여 모델링한다. 스프링 본체의 원심력 효과는 각 개별 스프링의 질량이 질량 점으로 모델링되는 경우(표시되지 않음) 고려할 수 있다.

네트워크 연구를 통해 구성품의 네트워킹이 최적화하였다. 최적화의 질을 높이려면 각각 최적화할 구성 요소를 세밀하게 네트워크화해야 한다. 필요한 최대 컴퓨팅 성능을 줄이기 위해 그림 1에 표시된 네 가지 부품 각각을 개별적으로 최적화하고 이에 따라 최적화할 구성요소의 네트워크 크기만 다른 네 가지 시뮬레이션 모델이 생성되었다.

원심력 효과는 적절한 명령을 사용하여 쉽게 고려할 수 있다. 기계의 전체 회전 라인의 일부만 시뮬레이션되기 때문에 적절한 기계적 경계 조건을 구현하는 것이 해결해야 할 과제이다. 이는 특히 주변 구조물에 대한 스프링 하우징의 기계적 결합과 관련이 있다. 하지만 나사 연결부에서 운동 자유도가 너무 많이 억제되면 비현실적인 응력이 발생한다.

이 효과를 고려하기 위해 커플링 플랜지의 축 방향 운동만 억제했다(그림 2, 오른쪽 회색 몸체). 시스템은 원심력으로 인해 반경 방향으로도 확장될 수 있다. 부하 토크가 왼쪽과 오른쪽에 적용되어 클램핑 시스템의 힘 작용 체인에서 비틀림 부하가 발생한다. 토크는 관통 구멍의 원통 표면과 커플링의 플랜지 표면에 적용된다. 인장력은 스크류 헤드 카운터 싱크의 평평한 표면에 적용된다. 이는 대략적으로 예상되는 최대 모터 토크에 해당한다.

최적화를 위해 (다음 섹션 참조) 원심력과 인장력 및 모멘트의 효과가 동시에 발생하고 중첩되는 것으로 가정했다. 이것은 클램핑 작동이 동시적일 때 n = 5000 min-1로 가속 후 작동 지점에 해당한다. 클램핑 시스템이 n> 5000 min-1에서 활성화되지 않기 때문에 높은 속도에서는 인장력이 없다. 이전 시뮬레이션 연구에서 이러한 인장력이 없는 국지적인 구성품 하중은 n = 5000 min-1에서 설명된 작동 지점에서 속도가 훨씬 빨라도 더 낮다는 것을 볼 수 있다. 따라서 가정된 하중 집합은 최대 부하의 경우를 나타낸다.

구성품 최적화와 생산

위에서 언급했듯이 프로젝트는 SLM 프로세스를 사용하여 네 가지 구성 요소를 제조할 계획이다. 이 구성 요소들은 적층 가공 이후 저응력 상태에서 어닐링하여 경화하고 하드 머시닝한다. 이 프로세스 체인을 분석하기 위해 두 가지 최적화 이터레이션을 구현해야 한다. 적합한 가공 전략을 식별하는 것 외에도 첫 번째 이터레이션에서는 하드 머시닝 중에 적층 제조된 기하학적으로 복잡한 구성 요소를 클램핑하는 방법도 명확히 한다. 식별된 최적화 잠재력은 두 번째 이터레이션 단계의 일부로 구성 요소 형상의 개선에 적용한다.

부식되지 않는 마르텐사이트 크롬-니켈 강철 (X5CrNiCuNb16-4)을 구성 요소의 추후 적층 가공 재료로 선택하였다. 표준 클램핑 시스템의 경우처럼 스프링 하우징만 알루미늄으로 만든다. 적층 제조용 알루미늄-실리콘 합금 AlSi10Mg의 우수한 적합성으로 인해 이를 표준 합금(AlZn5.5MgCu) 대신 사용한다. 재료 테스트를 통해 토폴로지 최적화 전에 관련 재료 매개변수를 결정하고 시뮬레이션 모델에 저장하였다.

최대 허용 등가 응력은 Rp0.2 항복 강도를 기준으로 결정하였다. 결정된 Rp0.2 항복 강도는 σ = 1031MPa(X5CrNiCuNb16-4) 또는 230MPa(AlSi10Mg)이다.

프로젝트 동반위원회와 협의하여 피로 강도를 유지하기 위해 Rp0.2 항복 강도의 최대 50 %의 응력 값을 허용 가능한 것으로 정의했다. 재료 별 등가 응력은 최적화를 위한 목푯값으로 사용된다. 최적화 알고리즘은 네트워크 모델의 체적 요소를 제거하여 재료 별 한계 응력을 초과하지 않고 구성 요소 질량을 최소화한다.

그림 3: 스프링 하우징을 예로 든 등가 응력 분석 평가 예시.

그림 3은 시리즈 스프링 하우징의 예를 이용한 부품 응력 평가를 보여준다. 이를 위해 시뮬레이션된 최댓값은 σv = 134.6 MPa이며, 이는 나사 구멍의 바깥쪽 가장자리에서 찾을 수 있다(확대). 이러한 높이는 핀 보어와 나사 머리 카운터 싱크 영역에서도 확인할 수 있다. 이러한 응력은 주로 접점 모델링에서 발생한다. 이러한 효과는 최적화 시 기계적 관점에서 볼 때 ‘관련 없는’ 재료가 이러한 지점에서 알고리즘에 의해 제거되지 않는다는 사실로 이어질 수 있다. 하지만 이 경우 각 기능면은 최적화되지 않거나 최적화 전에 유지되어야 하는 영역으로 정의되기 때문에 이 사실은 중요하지 않다. 동시에 발생하는 응력은 언더컷과 노치 베이스에서 특히 높다.