PAM-COMPOSITES
Composite Simulation Software
복합재는 경량 특성, 강도 및 내구성이 우수하여, 탄소 배출량 감소 경쟁에서 핵심적인 촉진제 역할을 합니다. 그러나 산업 대량 생산으로 전환할 때는 이러한 소재와 관련한 새로운 과제가 발생합니다.
- 시장 요구에 대응하기 위해 어떻게 생산을 확장할 것인가?
- 복합재의 혁신 속도를 따라잡기 위해 새로운 소재에 빠르게 적응하려면 어떻게 해야 하는가?
- 시장 요구 사항을 충족하기 위해 최종 제품의 가격을 어떻게 책정할 것인가
대부분의 경우 이러한 과제를 해결하려면 빠른 반복이 필요하며, 소재 구성 및 공정 매개변수에 대한 새로운 접근 방식이 필요할 때도 있습니다. 시뮬레이션을 이용하면 이 두 가지 조건을 모두 달성할 수 있습니다.
ESI PAM-COMPOSITES에서 제공하는 고유한 기능을 사용하면 공정 지향 워크플로를 통해 복합재 제조 체인의 각 단계를 살펴볼 수 있습니다. 소재 정보 및 이력(국부 전단, 국부 섬유 함량 및 배향, 경화 정도 등)과 기하학적 특성(모양, 두께 등)이 제조 체인의 한 단계에서 다음 단계로 원활하게 전달됩니다. 따라서 공정 매개변수를 조정하여 결함을 수정하고 생산 주기 시간을 단축할 때 피드백 정확도를 극대화할 수 있습니다.
공정 체인이 제품 공차를 충족하도록 최적화되면, '설계 기준'이 아닌 '구축 기준'으로 구조 분석을 할 수 있도록 결과를 설계 부서로 쉽게 전달할 수 있습니다. 이 접근 방식은 설계 여유를 최소화하고 경량화를 개선합니다.
PAM-COMPOSITES의 이점
- 시장에서 유일하게 제공되는 완전한 시뮬레이션 체인은 단축, 장축, 또는 연속 섬유로 만들어진 복합 재료 제품의 제조 결함을 식별하고 수정할 수 있는 유일한 제품입니다.
- "만들어진 그대로"의 복합 재료 제품의 기하학적 및 재료적 특성을 정확하게 쉽게 판별할 수 있도록 하여 제품 개발 초기에 설계 부서를 지원합니다.
- 이 하나의 툴로 할수 있는 것들:
- 드레이핑 및 열 성형
- 수지 주입 성형(RTM), 고압 RTM 및 압축 RTM
- 수지 침투 및 그 변형들
- 시트 성형 복합재(SMC)
- 경화 및 결정화
- 제조 공정에서 유발되는 기하학적 왜곡
- CATIA에 연결하여 설계 부서에서 정의한 모든 제품 정보를 검색합니다.
- 제조 결과를 "만들어진 그대로"의 구조 분석을 위해 설계 부서로 원활하게 전달할 수 있도록 합니다.
Nissan은 수지가 주입되는 동안 스탬프가 부분적으로 열린 상태를 유지하는 복잡한 복합재 제조 공정인 Compression-RTM(C-RTM)을 사용하여, 수지가 몰드에 확산되는 시간을 단축합니다. ESI PAM-COMPOSITES를 사용한 덕분에 Nissan은 새로운 시뮬레이션 방법론을 구현하여 예측 CAE를 사용하게 되었고, 이를 통해 시행착오법에서 벗어나 C-RTM을 재정의할 수 있었습니다. 그 결과 팀은 제조 주기 시간을 80%까지 대폭 줄이는 데 성공했으며, 이를 바탕으로 경량 차량 양산에 탄소섬유 부품을 적용할 것입니다.
Rieko YamaguchiVehicle Manufacturing Element Engineering Section, Vehicle Production Engineering and Development Division / Nissan
PAM-COMPOSITES의 복합재 성형 시뮬레이션 모듈인 PAM-FORM은 건식 섬유의 예비 성형 공정이나 열경화성 또는 열가소성 수지(Organosheet, GFRP, CFRP 등)로 만든 섬유 강화 복합재의 열성형 공정을 시뮬레이션하는 데 사용합니다.
PAM-FORM을 사용하면 다음을 비롯한 다양한 공정을 모델링할 수 있습니다.
- 금형을 사용한 스탬핑
- 고무 패드 성형
- 횡경막 성형
- 기타
이 모듈은 다음과 같은 현상을 예측하는 데 사용할 수 있습니다.
- 섬유 배향
- 두께 분포
- 최적의 초기 형상 패턴
- 변형률
- 응력
- 브리징
- 주름
이러한 결과는 라미네이트 수준은 물론 플라이 수준에서도 확인할 수 있으므로, 내부 주름(예: 실제 프로토타입의 육안 검사를 통해서는 확인할 수 없는 주름) 사례를 예측할 수 있습니다. PAM-FORM에는 UniDirectional(UD), Non-Crimp Fabric(NCF), 직물, 건식 직물, 열경화성 프리프레그 및 열가소성 프리프레그 모델이 포함되어 있습니다.
PAM-FORM을 사용하면 다음과 같은 공정 매개변수를 최적화하여, 절단하기 전에 제품 개발 공정에서 제조 결함을 제거하고 제품 품질을 개선할 수 있습니다:
- 드레이핑과 열간성형
- 온도 및 압력 주기
- 클램핑 조건
- 적층 순서, 섬유 배향
- 금형 설계
시뮬레이션을 공정 후반에 사용하여 제조 문제를 파악한 후 수정할 수도 있습니다.
PAM-RTM을 사용하면 다음과 같은 공정 매개변수를 최적화하여, 공구를 절단하기 전에 제품 개발 공정에서 RTM 제조 결함을 제거하고 제품 품질을 개선할 수 있습니다:
- 주입 전략(LCM - 액상 복합재 성형 - 공정 선택)
- 주입 압력 또는 유속
- 온도 주기(금형과 수지)
- 주입구, 추출구 및 진공 포트 위치
- Flow media의 유형과 위치
시뮬레이션을 공정 후반에 사용하여 제조 문제를 파악한 후 수정할 수도 있습니다.
PAM-RTM을 사용하여 다음과 같은 공정 매개 변수의 최적화로 제품 개발 프로세스 초기 단계에서 RTM 제조 결함을 제거하고 제품 품질을 향상하세요:
- 주입/유입 전략 (LCM - 액체 복합 소성(Liquid Composite Molding) 공정 선택)
- 주입 압력 또는 유량
- 온도 주기 (금형 및 수지)
- 주입 게이트, 환기구 및 진공 포트의 위치
- 유동 미디어의 유형 및 위치
또한 시뮬레이션은 문제가 확인된 후, 제조 중 발생한 문제를 수정하기 위해 프로세스의 후반부에서도 사용될 수 있습니다.
일반적으로 시뮬레이션 결과는 다음을 알려 줍니다.
- 충진 시간
- 공극 발생 위치
- 전방 흐름 속도
- 금형에 적용되는 압력
액상 복합재 성형(LCM) 시뮬레이션의 핵심 매개변수는 프리폼 보강재의 침투성입니다. 침투성은 섬유 배향에 따라 크게 달라지므로, 사출/주입 공정 시뮬레이션에서 이러한 섬유 배향을 반드시 고려해야 합니다. 기하학적 접근 방식을 사용하여 프리폼에서의 섬유 배향을 대략적으로 추정하십시오. 하지만 시뮬레이션을 수행하는 PAM-FORM에서 계산된 정확한 섬유 배향을 사용할 수도 있습니다.
PAM-RTM은 고유한 고성능 DMP 솔버 덕분에, 셸 또는 고체 요소를 사용하는 대형 수치 모델을 처리할 수 있습니다. 이러한 대형 수치 모델은 구성품의 크기 때문에 풍력 산업에서, 그리고 요소가 작아야 하는 세부적인 기하형상 때문에 자동차 산업에서 자주 사용합니다.
고체 요소로 만든 아주 작은 모델과 대형 모델을 모두 처리하는 능력은 PAM-RTM만의 고유한 장점입니다. 이 강력한 모델링 기능은 수지가 두께를 통과하여 흐르는 방식을 캡처하고, Dry spot의 위험을 식별하는 데 필요합니다.
PAM-RTM은 다음과 같은 최고 수준의 기능을 제공합니다.
- 주입구와 추출구의 조건부 개폐
- 자동 유속 제어로 기공 최소화
- 중력 효과
- 프리폼의 섬유 각도 예측을 위한 순차적 드레이핑 모듈
- '과충진'을 포함할 수 있는 충진 및 경화 시뮬레이션 연쇄화
- PAM-FORM 및 PAM-DISTORTION과의 결합
- 변동성 분석을 위한 실험 계획법 설계(DoE)
ESI PAM-COMPOSITES를 사용하면 오토클레이브 내부 또는 오토클레이브 외부(OOA)에서의 열경화성 부품 경화 분석과, 열가소성 부품의 결정화 현상 분석을 할 수 있습니다. 또한 자체 PAM-DISTORTION 모듈을 통해 제조 과정에서 발생하는 잔류 응력과 그에 따른 생산된 복합재 부품의 기하학적 왜곡을 예측합니다. 제조 과정에서 열경화성 매트릭스로 만든 복합재 부품은 수지를 액체에서 고체 상태로 변환하는 경화 작업을 거칩니다. 이러한 열화학적 공정은 부품을 왜곡하는 잔류 응력을 유발합니다.
ESI PAM-COMPOSITES를 사용하여 경화 공정을 분석하고, 경화 주기를 최적화하고, 공정내 경화 시간과 온도 및 경화 정도 변화를 예측하십시오.
복합재 부품의 기하학적 뒤틀림은 대부분의 산업에서 중요한 과제입니다(예: 고성능 항공 구조 부품은 허용 오차가 엄격합니다). 공차 준수는 올바른 조립을 위한 필수 조건이며 윈드 블레이드 같은 중요한 부품을 다룰 때는 더욱 중요합니다.
ESI PAM-COMPOSITES는 비용과 시간이 많이 드는 물리적 시험의 대안입니다. 제조 과정에서 발생하는 형상 왜곡을 예측하면 시험을 실시하기 전에 툴링과 공정을 수정할 수 있습니다. ESI PAM-COMPOSITES는 라미네이트 레이업, 수지 열팽창, 경화 수축, 경화 온도, 몰드 열팽창 같은 주요 영향 현상을 고려하여 형상 왜곡을 계산합니다.
시트 성형 복합재 시뮬레이션
시트 성형 복합재(SMC)는 다목적 경량 솔루션으로, 복잡한 형상으로 쉽게 성형할 수 있어 많은 금속 부품을 하나 또는 소수의 SMC 부품으로 대체할 수 있습니다. 경쟁력 있는 비용으로 일련의 대량 생산에서 (후가공 없는) 정형 성능 부품을 제조할 수 있음이 입증된 기술입니다.
SMC의 가장 큰 과제는 생산된 부품의 국소 소재 특성을 제품 개발 과정에서 미리 예측하고 제어하는 일입니다. 이러한 특성은 소재를 압축하는 동안 섬유가 재구성되는 방식(위치, 배향 및 밀도)에 따라 크게 달라집니다.
이 문제를 해결하기 위해 당사는 ESI PAM-COMPOSITES 2020에 SMC를 위한 새로운 모듈을 도입했습니다. 이 모듈은 엔지니어링 부서가 새로운 설계를 빠르게 평가하거나 반복해야 하는 초기 설계 단계용으로 설계되었습니다. SMC 소재 특성은 제조 공정에 따라 크게 달라지므로, 설계 엔지니어가 국소 특성을 빠르고 쉽게 예측할 수 있는 시뮬레이션 도구가 필요했습니다.
SMC 모듈을 사용하면 다음을 제공하는 VPS에 바로 연결될 수 있습니다.
- SMC를 위한 고유한 엔드 투 엔드(제조에서 성능을 아우르는) 기능
- 초기 설계에 적합한 성형 및 충진 시뮬레이션(여러 반복 작업을 빠르게 수행)