Integrated finite element model of the combined wire arc additive manufacturing process with strain hardening based on analysis of the relationship between deposited material volume and temperature fields

기술 요약: WAAM 및 가공 경화 결합의 통합 유한 요소 모델

문제 정의
와이어 아크 적층 제조(WAAM)는 높은 적층률과 낮은 재료 비용 덕분에 대형 금속 부품을 생산하는 데 있어 상당한 이점을 제공한다. 그러나 이 공정은 열 사이클링으로 인해 미세구조의 불균질성, 기계적 강도 저하, 잔류 인장 응력이 발생한다는 한계가 있다. 열간 등압 성형(HIP)이나 쇼트 피닝(shot peening)과 같은 후처리 기술이 존재하지만, 이는 깊이 측면에서 한계가 있거나, 비용이 많이 들거나, 표면 처치에 국한되는 경우가 많다. 파동 변형 경화(Wave Deformation Hardening, WDH)는 심부 강화(deep strengthening)를 위한 유망한 대안이지만, 아직 WAAM과 통합된 사례가 없다. 또한, 하이브리드 공정을 위한 기존의 수학적 모델들은 소규모 형상에 국한되어 있고, 열적 문제와 기계적 문제를 별도로 해결하여 데이터 손실을 초래하며, 복잡하고 대규모인 부품 시뮬레이션을 위한 자동화 기능이 부족하다. 따라서 적층된 재료 부피, 부품 형상, 그리고 온도장을 정량적으로 연결하여 적층과 경화의 결합 타이밍 및 파라미터를 최적화할 수 있는 통합된 접근 방식이 절실히 필요하다.

방법론
본 연구는 WAAM과 WDH 공정을 결합하여 시뮬레이션하기 위해 ANSYS 멀티피직스 플랫폼을 이용한 통합 유한 요소 모델(FEM)을 개발하였다. 방법론은 데이터 무결성을 보존하기 위해 단일 계산 환경 내에서 열적 문제와 기계적 문제를 순차적이고 결합된 방식으로 해결하는 과정을 포함한다.

• 모델 구축: 성장하는 부품, 경화 도구, 적층 테이블의 형상을 Ansys SpaceClaim에서 생성하였다. 모델은 Transient Thermal(과도 열전달) 및 Transient Structural(과도 구조) 모듈을 활용하였다.
• 메싱 및 이산화: 정확도를 확보하기 위해 성장하는 부품과 경화 도구에는 미세한 메쉬를 적용하였고, 계산 부하를 줄이기 위해 적층 테이블에는 조대(coarse)한 메쉬를 적용하는 가변 메쉬 크기를 채택하였다. 적층된 재료는 1초 단위의 적층을 나타내는 단위 부피로 나누었다.
• 공정 시뮬레이션:
  • 열적(Thermal): Element Birth and Death(요소 생성 및 소멸) 기법을 사용하여 층별 적층을 시뮬레이션하였다. 내부 열 발생은 실험적 보정을 통해 단위 부피에 할당되었다.
  • 기계적(Mechanical): WDH 공정은 온도장을 구조 모듈로 임포트함으로써 모델링되었다. 충격 하중은 시간 의존적 힘 프로파일(지속 시간 약 $10^{-5}$ s)로 정의되었다.
• 자동화: Python 스크립트를 개발하여 복잡한 형상에 대한 수백 개의 적층 부피에 대한 열 유속 할당, 요소 활성화, WDH 파라미터(충격 타이밍, 층 선택, 중첩 비율)의 동기화를 자동화함으로써 수동 설정의 한계를 극복하였다.
• 검증: 04Kh19N9 스테인리스강 샘플을 사용하여 모델을 검증하였다. 열역학적 충격 테스트를 통해 실험적 각인 직경과 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 열 유속 보정은 층별 적층 과정 중의 실험적 온도장과 시뮬레이션된 온도장을 비교하여 수행되었다.

주요 결과

• 모델 정확도: 통합 모델은 높은 신뢰도를 입증하였다. 계산된 각인 직경과 실험적 각인 직경 사이의 최대 편차는 20°C에서 500°C 온도 범위에서 9.8%였다. 온도장 시뮬레이션에서의 최대 오차는 최적의 열 유속 12 J/mm³·s 조건에서 10% 미만으로 유지되었다.
• 형상의 영향: 각기둥(prismatic) 형상과 원통형 쉘(cylindrical shell) 형상에 대한 비교 분석 결과, 원통형 쉘은 균일한 열 방산 덕분에 각기둥 형상에 비해 피크 온도를 12–15% 감소시키는 것으로 나타났다. 각기둥 쉘은 테스트된 모든 부피에서 임계 용융 온도(>1500°C)에 도달한 반면, 더 큰 부피를 가진 원통형 쉘은 용융 임계값 미만의 온도를 유지하였다.
• 층간 대기 시간(Interlayer Dwell Time) 최적화: 층간 대기 시간($T_p$)을 5초에서 150초까지 분석하였다. 대기 시간을 균일하게 증가시키는 것은 효율성을 저하시킨다는 점이 밝혀졌다. 대신, 최대 온도($T_{max}$)를 1500°C 미만으로 유지하고 누적 부품 온도($T_{total}$)를 재결정화 임계값(400°C) 미만으로 유지한다는 두 가지 제약 조건을 충족하기 위해 비균일한 단계적 대기 시간 증가 방식이 제안되었다.
• 효율성 향상: 층간 대기 시간을 최적화함으로써 임계 온도 제한을 초과하지 않으면서 총 제작 시간을 30–50% 단축할 수 있었다. 예를 들어, 부피가 30,000 mm³인 원통형 쉘의 경우 90초의 대기 시간을 적용했을 때 총 적층 시간은 1290초가 소요되었다.

의의 및 주장
본 논문은 WAerms의 3차원 열 모델링과 기계적 변형 경화 효과를 결합하고, 특히 열 축적 역학을 고려하여 이를 통합한 최초의 새로운 하이브리드 접근 방식을 개발했다고 주장한다. 주요 의의는 열적 영역을 예측하고 대형 부품 생산 시 결함 위험을 최소화할 수 있는 능력에 있다. 저자들은 적응형 제어를 위한 개발된 알고리즘이 적층 및 경화 공정 간의 실시간 호환성을 가능하게 한다고 단언한다. 적층된 재료 부피, 형상, 온도장 사이의 정량적 관계를 확립함으로써, 본 모델은 최적의 불균질 경화 영역 형성을 보장하기 위한 공정 파라미터 최적화를 가능하게 하며, 이를 통해 접촉 피로 저항 및 반복 강도와 같은 운전 성능을 개선한다. 본 연구는 이러한 통합 모델링 접근 방식이 대형 금속 부품을 위한 하이브리드 적층 제조 기술의 효과적인 산업적 구현에 필수적이라고 결론짓는다.