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Powder Simulation
Powder Simulation(분말 시뮬레이션)은 가루 형태의 물질(분말, 입자, 과립 등)의 거동을 모델링하고 해석하는 시뮬레이션 기법입니다. 산업적으로는 재료 공학, 3D 프린팅, 제약, 식품, 건설 및 금속 가공 등 다양한 분야에서 활용됩니다.
1. 분말의 특성과 시뮬레이션 필요성
분말은 고체처럼 보이지만 실제로는 개별적인 입자로 이루어져 있어 액체 또는 기체와 유사한 흐름 특성을 보이기도 합니다. 따라서 전통적인 연속체 역학(Continuum Mechanics)보다는 개별 요소들의 상호 작용을 고려하는 접근법이 필요합니다.
2. 주요 시뮬레이션 기법
(1) 개별 요소법(DEM, Discrete Element Method)
✔ 개념
개별 요소법(DEM, Discrete Element Method)은 다수의 작은 입자의 운동과 상호작용을 계산하는 수치해석법 입니다. 입자 간 충돌, 마찰, 점착력 등을 고려하여 분말의 동작을 예측합니다.
✔ 특징
입자 간 충돌 및 마찰을 개별적으로 계산
미시적인(입자 수준의) 거동 분석에 적합
계산량이 많고 연산 속도가 상대적으로 느림
산업 분야(분체 공정, 제약, 금속 분말 공정 등)에서 많이 사용
✔ 대표적인 소프트웨어
LIGGGHTS (오픈소스 DEM 소프트웨어)
EDEM (산업용 DEM 솔루션)
Rocky DEM (고급 시뮬레이션 가능)
(2) 유한 요소법(FEM, Finite Element Method) 및 유체-입자 연성(FEM-DEM Coupling)
✔ 개념
분말이 큰 변형을 겪을 경우 FEM을 사용하여 변형과 응력을 계산할 수 있습니다.
DEM과 결합하여 고체-입자 상호작용을 모델링할 수도 있습니다.
✔ 적용 예시
분말이 강한 충격을 받을 때의 변형 해석
3D 프린팅에서 분말층의 변형
(3) 유체역학 기반 시뮬레이션 (CFD-DEM Coupling)
✔ 개념
분말이 공기 또는 액체와 함께 움직일 때, 유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)과 DEM을 결합하여 분석합니다.
✔ 적용 예시
분말을 공기 중에 분사하는 공정(예: 스프레이 코팅)
슬러리(Slurry) 및 유동층(Bed Flow) 공정
✔ 대표적인 CFD-DEM 소프트웨어
ANSYS Fluent + Rocky DEM
OpenFOAM + LIGGGHTS
3. 주요 적용 사례
3. 주요 적용 사례
(1) 3D 프린팅 (적층 제조, Additive Manufacturing)
(1) 3D 프린팅 (적층 제조, Additive Manufacturing)
분말 기반 3D 프린팅(Powder Bed Fusion, PBF)에서 분말층 형성 및 분말의 유동성 분석
분말이 레이저 또는 전자빔에 의해 용융될 때의 거동 예측
(2) 제약 산업
(2) 제약 산업
약물 코팅(분말 입자가 캡슐이나 정제 표면에 붙는 과정) 시뮬레이션
분말의 압축 공정(정제 압축)
(3) 금속 가공 및 분말 야금(Metallurgy)
(3) 금속 가공 및 분말 야금(Metallurgy)
분말 사출 성형(Powder Injection Molding, PIM) 공정
금속 분말 소결(Sintering) 시뮬레이션
(4) 식품 및 화학 산업
(4) 식품 및 화학 산업
분말 혼합 및 혼합 균일성 분석
스프레이 드라이(Spray Drying) 공정에서 분말의 거동 분석
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