"몇백 시간 걸리던 계산, 하루 이틀 내에"…3D 프린팅·주조 공정 설계 혁신
포스텍 신소재공학과 이병주 교수, 오상호 박사 연구팀이 금속 제조 과정에서 형성되는 미세조직을 빠르고 정확하게 예측할 수 있는 시뮬레이션 기술을 개발했다.
이번 연구성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인판에 게재됐다.
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| ▲ 포스텍 신소재공학과 이병주 교수(왼쪽), 포스텍 신소재공학과 오상호 박사. [포스텍 제공] |
액체 상태인 금속이 굳는 과정에서 내부에는 결정립과 미세조직이 만들어진다. 응고 과정에서 형성된 미세조직은 제품의 강도와 품질을 결정하기 때문에 전통적인 주조 공정은 물론 3D 프린팅 공정에서도 매우 중요하다. 특히, 3D 프린팅은 복잡한 열 이력에 따라 미세조직이 어떻게 변하는지 예측하는 것이 핵심 과제로 꼽혀 왔다.
그러나 지금까지 널리 사용된 '상장' 모델 같은 정밀 시뮬레이션은 계산량이 매우 많다는 한계가 있었다. 수십 마이크로미터 크기 영역을 분석하는 데 고성능 컴퓨터로도 수백 시간이 필요해 실제 산업 현장에서 활용하기에 한계가 있었다.
연구팀은 '몬테카를로 포츠' 모델에 주목했다. 금속 내부 결정립 성장 과정을 계산하는 데 사용되고 있는 이 모델은 알고리즘이 간단해 계산 속도가 매우 빠르다는 장점이 있지만 응고 현상까지는 제대로 반영하지 못하는 문제가 있었다.
연구팀은 이 모델에 실제 물리적 단위를 연결하는 방법과 응고 역학 이론을 접목해 금속이 굳는 과정에서 일어나는 현상들을 하나의 알고리즘으로 동시에 계산하는 모델을 구현했다. 여기에는 결정립이 자라는 과정, 새 결정이 생겨나는 과정, 그리고 기존 결정 방향을 따라 이어 자라는 현상까지 포함된다.
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| ▲ 주조 및 3D 프린팅 제품 미세조직 재현 시뮬레이션 예시. [포스텍 제공] |
이를 통해 응고 속도와 미세조직을 정확하게 재현했으며 기존에는 계산이 어려웠던 수십 밀리미터 규모의 실제 제조 공정도 일반 데스크탑 수준의 컴퓨터로 수십 시간 안에 시뮬레이션하는 데 성공했다.
시뮬레이션 성공으로 정밀 시뮬레이션 방식 한계를 뛰어넘는 계산 효율성을 보이면서도 응고와 결정립 성장 현상을 하나의 알고리즘 안에서 동시에 다룰 수 있어 '계산 효율성'과 '정확성'을 동시에 확보했다.
금속 제품을 실제 만들기 전에 컴퓨터에서 여러 공정 조건을 미리 시험해 볼 수 있어 시행착오를 줄이고 원하는 성능을 갖는 합금과 제조 공정을 더 효율적으로 설계할 수 있을 것으로 기대된다.
이병주 교수는 "이 기술은 적은 계산 비용만으로 금속 제조 공정 설계 단계에서 시행착오를 크게 줄일 수 있는 효율적인 가이드가 될 것"이라며 "원하는 미세조직과 성능을 얻기 위한 합금 및 공정 설계에도 폭넓게 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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