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이산 소자 방법(DEM)이 어떻게 소결 공정을 혁신하여 제조 산업의 효율성과 정밀도를 향상시키는지 알아보세요.
도전 과제
금속 소결은 제어된 열과 압력을 사용하여 금속 분말을 고체 부품으로 변환하는 공정으로 자동차, 항공우주, 전자, 의료 산업 전반에 걸쳐 중요한 역할을 수행합니다. 그러나 제조업체는 공정의 복잡성으로 인해 상당한 어려움에 직면해 있습니다. 다음과 같은 상호 연결된 과제로 인해 제조업체는 금속 소결 작업에서 일관된 품질과 경제성을 달성하기 위해 더 나은 이해와 제어 방법을 개발하는 것이 필수적입니다:
- 공정 최적화: 기존의 시행착오 방식으로는 최적의 파라미터(온도, 가열 속도, 압력, 대기)를 결정하는 것이 어렵고 비용이 많이 들기 때문에 개발 시간 연장, 재료 낭비, 일관되지 않은 품질, 확장 어려움으로 이어집니다.
- 품질 관리 문제: 일반적인 결함에는 기계적 특성에 영향을 미치는 잔류 다공성, 열 응력으로 인한 균열 및 왜곡, 특성 변화를 유발하는 고르지 않은 미세 구조, 비용이 많이 드는 후처리가 필요한 표면 결함 등이 있습니다.
- 경제적 문제: 금속 분말의 높은 원자재 비용, 고온 용광로의 상당한 에너지 소비, 불량 부품으로 인한 고가의 스크랩 및 재작업, 일관성에 영향을 미치는 배치별 분말 변화는 모두 수익성과 생산 신뢰성에 영향을 미칩니다.
엔지니어링 솔루션
방법
이산 요소법(DEM)은 금속 소결 공정을 연구하고 최적화하는 데 유용한 계산 접근법입니다. 이 방법은 각 분말 입자를 개별적으로 모델링하여 입자 재배열, 접촉 형성, 다공성 진화 및 초기 단계 결합에 대한 상세한 분석을 가능하게 합니다.
대부분의 DEM 소결 시뮬레이션은 다음 사항에 중점을 둡니다. 냉간 압축 단계열처리 전에 입자를 눌러 모양을 만드는 단계입니다. 이 모델은 응집력 모델을 사용하여 기계적 통합과 “그린 바디”의 형성을 캡처하지만 다음과 같은 이점이 있습니다. 열 확산, 수축 또는 미세 구조 변화를 시뮬레이션하지 않습니다.-다른 열 또는 연속체 모델과의 결합이 필요하기 때문입니다.
소결 외에도 제약, 광업, 식품, 건설과 같은 산업에서 입자 흐름, 혼합, 압축을 연구하기 위해 DEM이 광범위하게 사용되고 있습니다. 입자 규모 거동에 대한 통찰력을 제공함으로써 DEM은 공정을 최적화하고 에너지 사용량을 줄이며 제품 일관성을 개선하는 데 도움이 됩니다.
결과
다음은 Ansys의 입자 유동 시뮬레이션 모듈인 Ansys Rocky를 사용한 소결 공정 애플리케이션의 예입니다. 이 설정은 캐비티에 입자를 공급하는 피더, 지정된 힘을 가하는 프레스, 마지막으로 이젝터로 구성됩니다. 모션 시퀀스는 설정 전에 정의한 다음 모션 프레임을 통해 구성해야 합니다(아래 비디오 참조). 기본 정보는 다음과 같습니다:
- 파티클 모양: 구체 (자세히 모양 사용 가능)
- 입자 크기: 1.5 – 2.0mm
- 총 입자 수: 144,405
- 물리/시뮬레이션 시간: 11초/4,696초(1.3시간)
- 실행: GPU NVIDIA TRX A6000
파티클 크기는 이 데모에 사용된 값인 약 0.1~0.3mm보다 작을 수 있으며, 작아야 합니다. Rocky에서 결과는 머티리얼 속성과 상호작용 계수에 따라 달라지며, 이는 다음과 같이 머티리얼 마법사를 사용하여 결정할 수 있습니다:
- 머티리얼 속성: 밀도, 영 모듈러스 및 푸아송 비율.
- 머티리얼 상호작용: 정적/동적 마찰 계수, 복원 계수.
- 접착 강성: 입자 크기에 따라 다릅니다(모델 튜닝).
또한 Rocky를 사용하면 압축 후 최종 부품의 입자 크기 분포를 시각화할 수 있습니다. 이 경우 사용된 입자 크기를 사용하면 일부 결함이 눈에 띄기 때문에 조기에 설계를 조정할 수 있습니다. 그림에서 볼 수 있듯이 왼쪽 이미지에는 압축된 형상이 표시되고 오른쪽 이미지에는 입자 크기의 변화가 나타납니다. 입자가 크거나 작은 영역은 밀도 또는 기계적 특성의 잠재적 불일치를 나타낼 수 있습니다.
모션 프레임에는 시간에 따라 선형적으로 증가하는 힘을 생성하기 위해 ‘자유 몸체 변환’과 함께 ‘선형 시간 가변 힘’을 적용하여 압축 효과가 포함됩니다. 이 데모에서는 500 N/s의 계수가 사용되었으며,d 다음 플롯에서 선형 힘의 기울기를 나타냅니다. 이 힘은 유압 메커니즘에 의해 생성되는 압력을 추정하는 데 사용할 수 있습니다.
마지막 이미지는 압축 후 최종 부분의 파티클 부피 분율 맵을 보여줍니다. 이상적으로는 이 분포가 가능한 한 균일해야 부품 전체에 걸쳐 일관된 밀도를 보장할 수 있습니다. 그러나 녹색 상자에서 뚜렷한 비대칭이 관찰됩니다. 이와 대조적으로 상단과 하단 영역은 균일성이 양호합니다. 이 정보는 압축 결함을 식별하고 피더 설계, 펀치 형상 또는 모션 시퀀스를 조정하여 공정의 전반적인 품질을 개선하는 데 매우 중요합니다.
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