현장(세원금속)에서 사용되는 이형제 분사용 매니폴드 핸들링 로봇의 가반 하중이 5 kg로 하중 조건을 맞추기 위하여 고온 내부식성이 상대적으로 떨어지는 Al 계열 소재에 기존의 절삭가공 방식을 적용한 매니폴드를 사용하고 있었다.

먼저 기존 제품 대비 경량화 성능 비교를 위하여 외관 및 기본 유로는 동일하게 유지하되, 잔류 이형제 발생을 방지 목적으로 유로 직교부에 곡면설계를 적용하였다. 유입구 연결부 및 노즐 장착부 강화, 내부 분말제거 용이성, 상단에 위치한 구조물의 지지 여부 등을 고려하여 경량화 설계를 진행하였다.

적층 제조 특화 설계를 위해서 Autodesk사의 Netfabb Premium Version을 활용하였으며, 설계 방법에 대해서는 Fig. 1에 작업 순서를 기반으로 표시하였다. 최초 모델로부터 체결 부위의 강화, 분말 제거용 홀 설계, 격자 구조 설계를 통하여 최종적인 모델을 얻게 된다.

Fig. 1 
Design for additive manufacturing of release agent manifold

전술한 바와 같이 로봇의 가반 하중을 고려하여 매니폴드의 중량은 5 kg 이하여야 하며, 외벽 등을 형성하기 위하여 최소 1.5 mm 이상의 두께가 필요하게 된다. 서포트를 형성하지 않고, 상판을 조형하기 위해서 오버행이 45^o 이상으로 되어있는 X자 형태의 격자 구조를 채택하였다. Fig. 2는 격자 구조의 체적비와 외벽 및 유로 형성을 위한 최소 두께에 따른 매니폴드의 중량으로, 내압 조건을 고려하여 외벽을 2 mm 두께로 설정하고, 격자 구조 체적비 18%를 가지는 격자 두께 1 mm의 X자 형태를 5 mm 간격으로 설계하였다.

Fig. 2 
Estimated weight of the designed manifold as a function of wall thickness and lattice volume ratio

Table 1에 기존 제품과 적층 소재에 따른 DfAM 매니폴드 중량을 비교하였다. Al 소재 적용 시 적층 제조 특화 설계를 통해서 기존 2.91에서 1.35 kg로 약 53.6% 경량화가 가능함을 확인하였으며, 기존에는 하중 제한으로 채용하지 못했던 고온 내부 식성 특성을 가지는 SUS316L 소재 매니폴드의 경우도 3.98 kg으로 설계기준을 만족함을 확인할 수 있었다. 이와 같이 고온 내부식성이 높은 소재 적용을 통하여 동작가능온도를 높임으로써 이형제 매니폴드 냉각을 위한 유휴 시간을 줄이고, 내부식성 및 강도를 향상시켜 이형제 분사용 매니폴드 수명의 개선 효과를 기대할 수 있다.

설계한 경량화 매니폴드를 PBF 방식 3D 프린터(Concept Laser사, M1/M2 장비)를 이용하여 각각 Al-Mg-10Si, SUS316L 소재를 이용하여 제작하였다.

이중 Al-Mg-10Si 소재 제작에서 발생한 주요한 결함을 Fig. 3에 예시하였다. Al 소재 적층 시 열응력으로 적층 기판과 분리되는 경우(Fig. 3(a)), 빌드 플레이트와 매니폴더의 접합력이 부족하여 제작되지 않은 경우(Fig. 3(b)), 공정 조건 오류로 인한 표면 결함(Fig. 3(c)) 등이 발생하였다. 이를 해결하기 위하여 설계 및 공정 조건 개선을 수행하였다. 적층 제조물과 적층 기판 사이에 육각 형태의 베이스 플레이트를 삽입함으로서 열 변형으로 인한 박리 현상을 억제할 수 있었으며, 유로 주변의 서포트를 강화시켜 표면 결함을 방지하였다. 또한, Concept Laser M2 장비의 QM Powder 카메라로 수집되는 적층 이미지로부터 결함을 검출하는 Python 기반의 소프트웨어를 개발하여 공정 모니터링을 통하여 제품 품질 확보를 하였다. Fig. 4에 최종 이형제 도포용 경량화 매니폴드를 나타내었다. 제작된 매니폴드의 중량은 각각 1.29 kg (Al-Mg-10Si), 3.94 kg (SUS316L)으로 설계값에 매우 근사한 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 3 
Additive manufacturing failure of manifolds

Fig. 4 
Additive manufacturing of manifolds

먼저 경량화 적층 제조 매니폴드의 결함 분석을 위하여 X-Ray CT (Nikon사)를 이용한 Al-Mg-10Si 소재 적층 매니폴드의 비파괴 검사 이미지를 Fig. 5에 예시하였다. Fig. 5와 같이 적층 제조 특화 설계를 통해 제안한 매니폴드의 내부 격자 구조 및 유로가 결함없이 양호하게 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 5 
X-ray tomography image for manifold (Al-Mg-10Si)

Fig. 6과 같이 양산 현장 적용 테스트의 수행 결과, 두 제품 모두 유로의 연결 부위 곡면설계로 기존 유로에서 문제가 되었던 잔류 이형제 문제가 개선되어 금형수명이 기존 대비 14% 정도 향상되었음을 확인하였다. 반복적인 이형제 토출로 인한 압력 변화 및 고온 환경에 노출되어 인장 강도가 하락하여 이형제 내부 유로의 누수, 결함 발생하는 경우가 보고되고 있어 고온 내부식성이 뛰어난 SUS316L 소재로 제조한 매니폴드가 안정성면에서 적절한 것으로 판단된다.

Fig. 6 
On-site test of additive manufacturing manifold

절삭가공을 고려하여 설계된 기존 이형제 분사용 매니폴드의 유동 특성 분석을 위해 범용 해석 프로그램인 OpenFOAM v1912의 CFD_Incompressible Flow Solver를 사용하여 전산 유체 해석을 진행하였다. Table 2와 같이 실제 현장에서 사용중인 이형제 물성을 적용하였으며, Fig. 7에 기존 매니폴드 모델을, Fig. 8에 결과 파악을 위해 각 입출구별로 부여한 색인을 나타내었다. Figs. 8(a)와 8(b)에 각 입구별 색인과 상부에 위치한 각 출구별 색인을 도시하였다. 또한 Table 3과 같이 해석 모델의 유로 및 유로 내 입출구에 대하여 정의하여 결과 도출에 사용하였다. 실제 사용 조건에 따라 입구 전 영역에 500 kPa의 압력을 적용하였으며, 출구 압력을 0 Pa으로 설정하여 각 유로별 유량 및 유로 내 압력에 대한 해석을 수행하였다. Fig. 9에 생성된 유한요소모델을 도시하였으며 해당 모델의 요소 크기는 0.2 mm로 설정하였고, 총 818,690개의 격자로 구성되었다.

Fig. 7 
Schematic figure of conventional manifold model

Fig. 8 
Index of inlets and outlets in model manifold

Fig. 9 
Finite element model for conventional manifold model

Fig. 10에서 기존 매니폴드상 유로에 대한 유동해석 결과를 나타내었다. Fig. 10(a)는 채널별 압력을 나타내며 채널 2를 제외한 6개의 유로에서 300 kPa 이상의 압력 강하값을 나타내었다. 7개의 유로 중 채널 4의 유로 내 형성 압력이 약 44 kPa으로, 설정 압력 대비 456 kPa의 가장 큰 압력 강하가 발생됨을 알 수 있었다. Fig. 10(b)는 압력 강하가 최댓값을 가지는 채널 4상의 6개 출구에 대한 유량 해석 결과를 나타낸다. 출구별 유량의 경우 출구 U25에서 최댓값(954 cm³/s)을 나타내었고, 출구 U43에서 최솟값(190 cm³/s)을 나타내었다. 채널 4상의 6개의 출구 유량의 평균은 약 387이며, 표준편차는 264 cm³/s로 확인되어 출구별 유량의 편차가 극심한 것으로 나타났다.

Fig. 10 
Result for CFD on conventional manifold model

상기 기존 매니폴드 모델의 유동 해석 결과와 같이 다중 유로에서의 출구별 유량의 편차가 극심한 유동 양상은 균일한 이형제 도포가 중요한 이형제 분사용 매니폴드에 적용될 경우 도포 성능 조절이 용이하지 않으므로 적합하지 않다. 따라서 이러한 유량의 불균일성을 해결하기 위하여 기존 모델의 입출구를 재정한 후, 각 유로 내 압력 강하 감소 및 유량 균일화를 목적으로 유로 형상 최적화 기법 중 하나인 민감도 해석(Adjoint Method)을 적용하여 최적 유동 영역 도출을 진행하였다

다중 채널의 유로에 대하여 유로 최적화 형상 도출을 위해 민감도 해석을 진행할 경우, 특정 중요도를 기준으로 지정한 순서에 따라 각각의 채널에 대한 해석이 필요하다. 특정 순번을 가진 채널의 해석은 초기 비설계 영역(Non-Design Domain)으로 지정한 영역과 해당 순번 이전에 진행한 유로 최적화 해석에서 도출된 형상이 비설계 영역이 되므로, 후순위 유로의 최적화 해석의 경우 설계 영역(Design Domain)이 이전 순번의 유로 해석과 비교하여 줄어들게 된다. 이에 따라 도출된 다중 채널의 최적 유로 형상들이 각각 동일한 유동 특성을 나타내지 않는 경우가 있으며, 이형제 분사용 매니폴드의 경우 상기한 현상이 발생하였을 때 좌우 대칭 대상물의 도포 양상이 불균일하게 나타나게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해 기존 입출구 배치를 대상물에 맞춰 좌우 대칭된 출구를 가지는 형상으로 재배치하여 유량이 균일하게 토출될 수 있도록 하였다.

재배치된 유로의 목록을 Table 3에 정리하였다. 이 중 가장 극심한 압력 강하가 나타났던 채널 4를 선정하여 압력 강하 감소 및 유량 균일화를 목적으로 민감도 해석을 진행하였다. 기존 채널과의 간섭을 피하기 위해 Fig. 11과 같이 비설계 영역을 설정하였다.

Fig. 11 
Domain definitions

민감도 범위는 최종 모델의 원활한 형상 처리를 위해 0-200으로 설정하였고, 해석은 범용 해석 S/W인 OpenFOAM v1912의 Adjoint Shape Optimization Foam Solver를 사용하였다.

채널 4에 대한 민감도 해석 결과를 Fig. 12에 나타내었다. Figs. 12(a)에서 해석 모델의 압력 강하에 대한 민감도 분포 해석 결과를 나타내었으며, 해석 결과를 바탕으로 민감도 중 0-50의 범위를 최적 유동 영역으로 설정하고, 이를 통해 유로 모델링을 생성한 결과를 12(b)에 나타내었다.

Fig. 12 
Result for adjoint shape optimization

상술한 입출구 재배치를 통해 채널의 출구 개수의 변동이 있으므로, 정확한 검증을 위해 Fig. 13과 같이 기존 유로에서 동일한 출구를 가지는 비교군을 추출하고, 도출된 최적화 모델과의 유동 특성 비교를 시행하였다. 유체의 물성 및 경계 조건은 기존 매니폴드 모델과 동일하게 설정하였다.

Fig. 13 
3D visualization of reference and optimized model

해석을 통해 도출된 참고 모델과 최적화 모델의 유로 압력 형성 특성을 Figs. 14(a)와 14(b)에 나타내었다. 최적화 모델의 경우 참고 모델과 비교하여 유로 전범위에서 고른 압력이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 유로 내 형성 압력의 경우도 참고 모델에서 94, 최적화 모델의 경우 325 kPa을 형성하여 최적화 모델이 참고 모델과 비교하여 유로 내 압력 강하가 231 kPa가량 작은 것으로 확인되었다. Fig. 14(c)에 참고 모델과 최적화 모델의 출구별 유량 양상을 나타내었으며, 각 출구별 유량 평균이 최적화 모델에서 359 cm³/s 더 높은 것을 확인하였다. 출구별 유량에 대한 표준편차에서도 참고 모델에서 236, 최적화 모델에서 75 cm³/s로, 최적화 모델에서 참고 모델 대비 각 출구별 유량균일도가 높은 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 14 
Results for CFD on verification models

상기 결과를 통해 형상 구현의 자유도가 높은 적층 가공을 고려하여 유로 형상 민감도 해석을 통해 도출한 최적화 유로가 기존 절삭가공 기반의 단순 형상의 유로 대비 낮은 압력 강화, 높은 유량을 가지는 것을 확인하였으며, 이를 통해 이형제 분사용 매니폴드에 적합한 출구별 유량의 균일도 확보가 가능할 것으로 판단한다.