■ 개발: Convergent Manufacturing Technologies, www.convergent.ca
■ 특징: 적층 복합소재 생산을 위한 열-화학 공정 모델링, 복합소재 제품의 제조 주기를 단축하고 제조 위험을 줄이는 기능 제공
■ 공급: 씨투이에스코리아, 02-2063-0113, www.c2eskorea.com
복합소재의 가능성은 설계 및 제조상에 존재하는 불확실성 및 위험성으로 인해 위협받고 있다. 또한 복합재료를 사용하는 신제품을 시장에 출시하는데 여전히 시행착오적(trial-and-error)인 방식에 의존하고 있다. 이러한 방식은 현재의 복잡한 복합재 제품 개발에는 적합하지 않다. 과학적인 이해와 시뮬레이션을 통한 제조 프로세스 접근은 제품 생산의 결과 및 제품 성능에 대하여 정확하게 예측할 수 있으며 위험을 효율적이고 효율적으로 관리할 수 있다.
특히 적층 복합소재 생산방법에 있어 오토클레이브(Autoclave) 또는 오븐(Oven)에서 굽는 복잡하고 큰 제품은 Convergent의 열-화학 공정 모델링을 통해 온도 프로파일 및 우수한 변형 예측값을 얻을 수 있다. PCM(Prepreg Compression Molding) 공정에 대한 경화 후 변형 결과 예측을 진행할 수 있다.
Convergent 제품군은 복합소재 제품의 제조 주기를 단축하고 제조 위험을 줄이는데 도움이 되는 소프트웨어 및 하드웨어를 제공한다.
- RAVEN은 빠르고 쉬운 공정 분석, 포인트 및 drill-through에서 열 분석을 수행하고 특성을 확인할 수 있다.
- COMPRO는 기하학적으로 복잡한 복합재의 공정 분석, 열-화학 특성 계산 및 이로 인한 후 변형 예측을 위해 ABAQUS 또는 MARC, ANSYS와 같은 상용 유한요소 소프트웨어를 사용한다.
- CPA-TA는 CATIA Composites Workbench에 통합되어 있으며 제조 과정에서 부품에 열 문제가 있을 수 있는 위치를 식별하는데 사용된다. 설계자가 부품 설계 과정에서 피할 수 없는 재설계를 최소화하기 위해 사용한다.
- COHO는 Gas Flow and Vacuum Leak Detection system으로 진공 시스템의 압력 누출을 신속하게 감지할 수 있다.
주요 특징
- Hot and Cold spot 위치 파악
- 복합소재 제품과 금형의 온도 사이클 최적화(curing cycle)
- 복합소재 제품의 잔류응력 계산
- Spring-in 및 warpage 예측
- 금형 보정
그림 1. Convergent의 주요 모듈
Convergent Manufacturing Technologies는 1998년에 설립되었고, 현재 캐나다 밴쿠버에 위치해 있다. Convergent의 비전은 복합 소재 제조가 초기 디자인에서 생산 단계까지 모든 단계에서 위험성을 줄이고 소프트웨어 및 관련 기술을 제공하여 이를 실현하는 것이다.
Convergent의 제품은 항공 우주산업에 사용되는 복잡한 복합재 구조를 생산할 때 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 제조 위험성에 대한 평가를 진행한다.(Thermal analysis, flow, porosity analysis, residual stress and distortion analysis 평가)
RAVEN
RAVEN은 빠르고 쉬운 공정 분석을 위해 설계되었다. 포인트 및 드릴 스루(drill-throughs)에서 열 분석을 수행하고 특성 전개를 연구 할 수 있다. RAVEN을 사용하면 외부 소스에서 데이터를 가져올 수 있으며, 분석을 단순화하는 강력한 플로팅 및 검사 도구를 제공한다.
그림 2. RAVEN Through thickness “drill through” the composite/tooling assembly
그림 3. RAVEN Thermal profile simulation(Temperature, Degree of cure)
- 경화 사이클 동안의 경화도, 점도 및 유리 전이 온도와 같은 중요한 재료 특성이 어떻게 변화하는지 신속하게 평가
- 서로 다른 프로세스 사이클에 대한 재료 특성 시뮬레이션을 기반으로 사이클 시간을 단축하고 보다 효율적인 경화 사이클을 설계
- 경화 사이클 사양을 충족시키고 사이클 시간을 줄이기 위해 낮은 열-질량(thermal mass) 및 우수한 발열 제어(exotherm control) 요구사항을 균형있게 조정하여 보다 효율적인 금형을 설계
- 1D 시뮬레이션을 사용하면 금형 및 부품 어셈블리의 두께를 통해 온도 프로파일 및 특성 전개에 대한 두께 및 열전달 경계조건의 영향을 평가할 수 있다.
COMPRO
그림 4. COMPRO 시뮬레이션 프로세스
그림 5. COMPRO: 설계부터 해석 결과 분석까지
COMPRO는 기하학적으로 복잡한 구조의 제조 공정 분석을 위해 설계되었다. 이 소프트웨어는 고급 공정 시뮬레이션 기능을 제공하기 위해 ABAQUS 및 MARC와 같은 상용 범용 유한요소 해석 소프트웨어를 사용한다. COMPRO는 RAVEN과 동일한 재료 라이브러리를 사용한다. COMPRO를 사용하려면 ABAQUS 및 MARC 와 같이 범용 유한요소 소프트웨어에 대한 라이선스 및 실무 지식이 필요하다.
- 프로세스 유도 변형(스프링 인)을 계산하고 기하학적인 금형 보정
- 복합재 라미네이트 및 구조의 잔류 응력 계산
- 경화사이클 사양을 충족하는 경화 사이클 및 금형 개발
- 코어, 사전 경화된 스킨, 접착층 및 인서트를 포함한 하이브리드 구조의 거동을 시뮬레이션
- 하이브리드, 다단계 프로세스의 거동을 시뮬레이션(co-cure, co-bond and secondary bonding)
CPA-TA
CPA-TA 시뮬레이션 소프트웨어는 부품 설계자가 회사 표준 장비를 사용하여 부품을 제조할 때 사전 설계의 측면이 생산성 문제로 이어질지 여부를 신속하게 파악할 수 있도록 설계되었다. CATIA Composites Workbench에 통합되며 RAVEN 프로세스 시뮬레이션 소프트웨어 및 재료 파일의 기능을 사용한다.
그림 5. CPA-TA: CATIA Composites Workbench에 통합된 시뮬레이션
- 레이아웃의 문제점을 파악하여 예기치 않은 재 설계, 테스트 및 시행착오를 줄이고 시간과 비용을 절약
- 프로세스, 툴링, 재료 및 오토클레이브, 오븐을 사용하여 사용자 정의
- 금형을 설계 하기 전에 잠재적인 열처리 및 경화 문제를 확인
- CATIA Composites Workbench(CPD, CPE, CPM) 필요, RAVEN 공정 시뮬레이션 소프트웨어 필요, 주어진 공정사항, 재료사양을 반영한 사용자 정의 입력 필요
COHO Gas Flow and Vacuum Leak Detection System
COHO는 고급 센서 및 소프트웨어 기술을 결합하여 bags, tools 및 vacuum system의 가스 누출을 신속하게 감지하고 localization할 수 있다. 시스템의 배출 공기 및 현장에서 휘발 물질을 현장에 실시간으로 측정하는 기능은 생산 지원 및 공정 설계 및 공정 최적화에 유용하다.
그림 6. COHO: Flow based leak detection
- COHO 시리즈의 진공 누설 감지기는 복합 가공 설비에서 누출 테스트를 돕기 위해 표준 진공 라인에 연결되는 고성능 가스 유량 센서로 구성된다.
- COHO는 공정이 통합되어 있어 진공 백(vacuum bags), 호스(hoses) 및 피팅(fittings), 실런트 테이프(sealant tape) 및 금형에 대한 누출 감지 기능을 제공한다.
- COHO는 실시간 데이터 및 경향을 표시하고 콘솔 컴퓨터, 대형 스크린 디스플레이 및 로머 태블릿(roamer tablets)에서 사용자 친화적인 워크플로를 통해 운영자를 안내한다.
맺음말
RAVEN과 COMPRO 소프트웨어는 수지가 포함된 거의 모든 복합 재료 공정의 열처리, 경화, 결정화, 특성 변화, 잔류 응력 형성 및 변형을 시뮬레이션할 수 있다. 금형 및 부품의 두께 정보를 통해 온도 프로파일 및 특성 전개에 대한 열 전달 경계 조건의 영향을 평가하거나 경화 사이클에 대한 최적화를 진행할 수 있다. 경화 사이클 사양을 충족시키고 시간을 단축하기 위한 효율적인 금형 설계를 할 수 있다. Spring-in과 같은 변형을 예측하고, 금형 보정에 대한 권장 사항을 개발할 수 있다. 코어, 사전 경화된 스킨, 접착층 및 인서트를 포함한 하이브리드 구조의 거동을 시뮬레이션한다.
CPA-TA 소프트웨어는 CATIA Composite Workbench 기반으로 제조 과정에서 부품에 열 문제가 있는 위치를 식별하는데 사용되며, RAVEN 소프트웨어가 필요하다.
COHO는 진공 포장 공정(Vacuum bagging process)에 통합 된 진공 누설 감지기로 진공 포트에서 직접 가스 유량을 측정하고 즉시 누출을 식별하며 가스 흐름 신호를 분석하여 실시간으로 위치를 확인한다.
씨투이에스코리아가 국내에 공급하는 Convergent 솔루션은 앞에서 설명한 복합소재 제품의 제조에 대한 다양한 활용법을 제공할뿐 아니라, 복합소재 제품 제작 시에 발생이 예상되는 많은 에러를 해결할 수 있는 솔루션이다. 항공기 제작 및 자동차, 중공업, 방산, 에너지 분야 등에 다양한 사용자를 구축하고 있으며, 국내에서는 한국항공우주산업, 대한항공 등에서 사용하고 있다.
기사 상세 내용은 PDF로 제공됩니다.
