지멘스 에너지 기술 애플리케이션 센터

지멘스 에너지 기술 애플리케이션 센터(TAC)는 산업 시장에서 세계 최고 수준의 '신속 솔루션 개념부터 완성까지' 지원하는 센터입니다. 로봇 공학, 스캐닝, 디지털 도구, 적층 및 절삭 제조 등 다양한 기술을 사용하여, 목표를 달성하기 위한 산업 문제에 대한 설계, 엔지니어링 및 신속한 프로토타이핑 솔루션을 제공합니다.

TAC는 지멘스 에너지의 글로벌 엔지니어링 비즈니스를 지원하며 다양한 고객의 설계 및 엔지니어링 문제를 해결합니다. TAC의 기술 포트폴리오에 가장 최근에 추가된 Markforged Simulation으로 엔지니어가 Eiger™ 워크플로우 내에서 파트의 강도와 강성을 가상으로 테스트할 수 있도록 해줍니다. 이를 통해 제작 파트에 연속 섬유 소재를 추가하고 그 위치를 최적화하여 파트 강도와 프린팅 시간 및 비용의 균형을 맞출 수 있습니다。

도전 과제

지멘스 에너지는 전 세계 고객이 전력 생산에 사용하는 대형 가스터빈 엔진을 생산합니다. 엔진의 연료가 점화된 후 뜨거운 가스의 흐름을 유도하는 여러 개의 고정된 베인 링이 들어있습니다. 이 인코넬 베인에는 최대 4,000°F (섭씨 2,204도)의 온도를 견디는 세라믹 코팅이 되어 있습니다. 지멘스 에너지는 Digital Forge를 사용하여 구성 성분을 지속적으로 테스트하고 가스 터빈 효율을 개선하는 설계 아이디어를 반복 시행합니다.

TAC에서 새로운 아이디어를 검증하는 데 사용되는 기술 중 하나는 열풍 서모그래피입니다. 이 기술을 사용하여 뜨거운 공기가 베인의 내부 냉각 채널을 통과하는 동안 적외선 카메라를 사용하여 파트 표면의 열 들뜸 상태를 그림으로 표현합니다. 엔지니어는 세라믹 코팅이 과도하게 마모되거나 성능이 저하된 부분과 응력이 증가된 부분을 찾습니다。

평균 무게가 15파운드(6.8kg), 길이가 최대 3피트(30.5cm)인 베인은 엔진 작동 조건을 시뮬레이션하기 위해 최대 600°F(316℃)의 공기가 통과할 때 고정구에 단단히 고정되어야 합니다. 고정구가 베인을 떨어뜨리면 수천 달러의 손상이 발생할 수 있습니다. 뿐만 아니라 손상이 일상적인 엔진 마모로 인한 것인지 아니면 베인이 바닥에 떨어져서 발생한 것인지 판단하기 어려울 수 있습니다.

이전에는 이러한 테스트 중에 베인을 고정하기 위해 금属 및 개스킷 고정구를 사용했습니다. 그런데 이러한 고정구는 가공하는 데 최대 6주가 걸리고 실리콘 개스킷을 만드는 데 최대 10,000달러의 비용이 들었습니다. 그래서 TAC 팀은 베인을 단단히 고정할 수 있는 강도를 확보하기 위해 연속 탄소 섬유의 비율이 높은 Onyx 소재로 제작하기 시작했습니다. 하지만 이로 인해 원하는 것보다 프린팅 시간이 길어지고 재료가 낭비되는 경우가 있었습니다.

해결책

Markforged Simulation으로 TAC 팀은 내구성이 뛰어난 고정구를 시간과 비용 면에서 보다 효율적인 방식으로 제작할 수 있었습니다. 새로운 Simulation 도구가 통합된 Eiger™ 버전을 베타 테스트할 기회가 생겼을 때, 그들은 이를 강도와 프린팅 시간에 맞게 맞춤형 고정구를 최적화할 수 있는 기회로 여겼습니다.

Simulation 결과, 파트 설계자는 연속 섬유 강화(CFR)이 파트의 강도나 강성에 미치는 영향에 대한 확신이 없었기 때문에 필요한 강도를 달성하는 데 필요한 양보다 더 많은 탄소 섬유를 넣는 경우가 많았습니다. Simulation을 통해 CFR이 설계에 미치는 영향에 대한 확신을 갖게 됨으로써 이러한 지식 장벽을 극복할 수 있었습니다. 이를 통해 Carbon Fiber 사용량을 60%까지 줄이고 프린팅 시간을 최대 75%까지 단축할 수 있었습니다.

또한 TAC 팀은 Simulation을 통해 엔지니어가 기존의 유한 요소 해석(FEA)을 통해 고정구 설계를 실행하는 데 필요한 시간보다 훨씬 짧은 시간 내에 설계 최적화를 수행할 수 있다는 사실을 발견했습니다. Markforged의 Simulation은 경계 조건 적용을 통해 사용자를 안내하며 파트에 사용된 Markforged 소재에 최적화되어 있습니다. 또한 TAC 팀은 Eiger™ 워크플로우 내에서 이러한 구조 해석을 효율적으로 수행할 수 있습니다.
 

도전 과제

일부 유형의 정밀 검사 애플리케이션의 경우 로봇 팔을 사용하여 테스트 대상 파트에 센서를 가까이 댑니다. 백팩이란 로봇의 "팔뚝" 맨 위에 고정하는 트레이입니다. 이 트레이는 팔 끝 센서를 지원하려는 프로그래밍 로직 컨트롤러, 센서, 공기 시스템과 기타 구성 요소로 이루어져 있습니다. TAC에서는 다양한 센서 패키지를 수용할 수 있도록 여러 가지의 백팩 구성을 만듭니다. 애플리케이션 개발 중에 로봇 엔드 이펙터에 있는 센서의 수와 형태가 달라질 수 있으며, 이로 인해 백팩 구성이 달라질 수 있습니다.

기존의 금属 가공 백팩은 제작에 상당한 시간이 걸리기 때문에 프로젝트 도중 백팩 디자인을 바꿀 수 있는 횟수가 제한됩니다. 대형 백팩에 3D 프린팅을 사용할 때의 단점은 일반적으로 기존 금属 백팩보다 낭창거리고, 로봇 팔에 전달되는 원치 않는 관성을 견디지 못한다는 점입니다.

해결책

로봇 팔 백팩을 Onyx로 제작함으로써 TAC 팀은 백팩 디자인을 빠르게 반복해 볼 수 있습니다. 예를 들어, 새 버전마다 필요에 따라 새로운 마운팅 포인트 및 기타 필수 기능을 쉽게 추가할 수 있습니다. Markforged의 Simulation을 사용하면 최적의 구조적 특성을 신속하게 파악하여 제작 시간과 보다 견고한 구조의 필요성 간의 균형을 맞출 수 있습니다。Simulation을 통해 TAC 팀은 프린팅 전에 디자인에서 취약한 부분을 확인할 수 있습니다。

TAC 팀이 Markforged의 Simulation을 채택한 이유는 몇 가지 주요 이점 때문입니다. 첫째, 파트 설계에 대한 빠르고 정확한 구조 해석을 제공하므로 빠른 프린트 시간에 대한 요구와 구조적으로 견고한 파트에 대한 요구 간의 균형을 맞출 수 있습니다. 또한 이 데이터는 고객과 논의할 때 3D 프린팅으로 생산된 파트의 구조적 기능에 대한 사례를 제시하는 데 도움이 됩니다.

또한 TAC 팀은 Markforged의 Simulation을 통해 파트 강도뿐만 아니라 프린트 시간에도 영향을 미치는 각 파트에 대한 최적의 프린트 방향을 결정하는 데 도움이 된다는 사실을 발견했습니다.

이 소프트웨어가 발전함에 따라 TAC 팀은 이 소프트웨어가 용융 필라멘트 제조(FFF) 3D 프린팅 파트 개발에 필수적인 도구가 될 것이라고 확신하고 있습니다.