Simulation of particle deposition in NPDS using SPH theory

Abstract

컴퓨터 기술이 발전함에 따라서 전산시뮬레이션은 과학과 공학분야의 실제 실험들을 대신하고 있다. 전산 시뮬레이션은 실제 실험을 진행함에 있어 수반되는 위험성이나 시간의 소요 또는 실험으로 지출되는 금전적 비용의 낭비를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 우리는 다양한 실험변수를 통한 결과를 쉽게 얻을 수 있으며, 복잡한 이론적 모델을 기반으로 진행되는 방대한 양의 계산 결과들도 쉽게 알 수가 있다. 이 학위 논문에서는 입자완화 유체동역학(SPH)을 기반으로 나노입자 적층시스템(NPDS)의 적층형상을 예측할 수 있는 시뮬레이션을 제시한다. NPDS는 새로운 형태의 3D 프린터 장비로 고체 분말입자를 재료로 사용하여 가공을 한다. SPH 이론은 천체물리학, 유체 또는 고체 시뮬레이션과 같은 다양한 분야에 적용이 될 수 있다. 이 논문의 SPH 이론에는 질량, 모멘트와 같은 보존방정식이 사용되었으며, 고체입자 거동을 모사하기 위하여 훅의 법칙을 이용한 Jaumann rate가 사용이 되었다. 이 시뮬레이션을 사용하면 사용자는 실제 가공실험을 하지 않고 적층된 형상에 대한 기하하적 추정을 할 수가 있다. NPDS에서 적층형상에 대한 영향을 줄 수 있는 인자는 입자들의 속도와 고체분말, 분사되는 입자의 양이 있다. 시뮬레이션 실험에서는 은과 구리 철 등에 대한 테스트를 진행하였으며, 실제 가공실험과는 은과 주석을 이용한 적층형상의 실험적 비교를 진행한다. 실험은 분사속도, 재료, 입자분사량의 다양화를 통해 실험을 진행한다. 시뮬레이션상의 실험결과를 통하여 전단 및 부피탄성계수가 적층형상을 구성하는데 중요한 요소로 작용함을 알 수가 있었다. 은의 경우 일정속도와 압력까지 입자량이 증가함에 따라서 형상의 높이를 가로 길이로 나눈 비율이 증가하는 경향을 보이다가 특정 압력과 속도의 영역을 지남에 따라 그 값이 감소하는 경향을 보임을 알 수 있었으며 이를 시뮬레이션을 통해서도 확인할 수가 있었다. 주석의 경우 시뮬레이션과 실험의 결과 경향성이 일치하지 않았다. 이는 이송가스의 압력이 같을 때 다른 밀도를 가진 입자들이 가속될 경우 다른 속도의 변화를 보여주기 때문이라 생각하였다. 시뮬레이션에 온도변화에 따른 응력변화 모델과, 기판과 입자사이의 영향을 모델링 하는 이론을 적용하고, 이송가스와 입자간의 상호작용을 하는 시뮬레이션으로 보완한다면 시뮬레이션을 통해 사용자는 정밀한 가공실험을 위한 가공변수들을 결정하는데 도움을 줄 수 있는 시뮬레이션이 되리라 기대한다.

As computer technology has been developed, computer simulation has come to substitute for science and engineering tests. The benefits of this method include that it is free of restrictions that are normally of concern in experiments, such as danger, time, and the costs of conducting tests. Also, we can generate results easily for varying experimental variables with accommodating complex theories. In this thesis, a simulation for deposited particle shape prediction by a nanoparticle deposition system (NPDS) using smoothed particle hydrodynamics (SPH) is proposed. NPDS is new type of 3D printing hardware system using dried solid powder. SPH theory has been used in various science fields concerned with fluids, solids, and astrophysical simulations. This mesh-free particle method enables low computational cost and improved accuracy. In SPH simulations, we adopted mass and momentum conservation, which are called governing equations that can represent many of the materials behavior. For solid particle movement, Jaumanns rate equation for Hookes law is used. Using the simulation, users can check the deposited particle shape before making real parts. In NPDS manufacturing, deposition shape can be varied through each dry powder speed in the nozzle, the quantity of spraying, and material properties. During simulation tests, we used Ags, Tins properties and compared the deposition shapes. The tests varied by nozzle speed, material properties, and quantity of dry power. The simulation result showed that shear and bulk modulus play an important role in forming the deposition because each materials properties, especially shear and bulk modulus, differ. Also, we conducted a comparative experiment associated with velocity and quantity of dry powder. We confirmed that the deposition shape was influenced not only by the materials properties but also by sprayed particle velocity. This will help researchers in determining suitable manufacturing parameters to make specimens precisely.