배정현
(Jeong-Hyeon Bae)
1,2iD
이재향
(Jae-Hyang Lee)
1iD
김도현
(Do-hyun Kim)
1iD
강동석
(Dong-Seok Kang)
1iD
손용
(Yong Son)
1iD
연시모
(Si-mo Yeon)
†iD
-
(Research Institute of Intelligent Manufacturing & Materials Technology, Korea Institute
of Industrial Technology, Korea)
-
(Dept. of Mechanical Design Engineering, Hanyang University, Korea)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Additive Manufacturing, Laser-Powder Bed Fusion(L-PBF), Pulse Wave, Continuous Wave, Thin-wall
1. Introduction
적층제조(Additive Manufacturing, AM) 방식 중 분말을 기판에 깔아 레이저를 선택적으로 조사하여 한층씩 쌓아 올리는 레이저 분말
베드 융해(Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) 공정 방식은 정교하고 복잡한 형상을 제작하는 데 장점이 있다[1]. L-PBF 공정은 다품종 소량생산에 특화된 제조 방식으로 고부가가치 산업에서 많이 사용되어 항공우주, 자동차, 국방 등과 같은 산업에 많이 적용되고
있다. 이미 해외 및 국내에서 연소기, 터보펌프와 같은 복잡한 형상을 가진 부품이 적층제조를 통해 제작되고 있으며[2], 부품 내부의 얇고 복잡한 채널 등 난형상이 요구되는 부품을 구현하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다[3-4]. 특히 thin-wall은 열교환기, 발사체 연소기 냉각채널, 검출기(Detector) 모듈의 방사선 차폐용 산란 방지 그리드(Anti-scatter
grid), 전기 수직 이착륙기(Electric vertical take off and landing, eVTOL)의 콜드 플레이트(Cold plate)
등 얇은 벽을 통해 열전달이 이루어지는 다양한 부품에 많이 적용되고 있다. 그러나 L-PBF 공정에서 thin-wall 형상을 제작할 때는 얇은 구조로서
짧은 스캔 사이클에 의한 국소적인 열 누적이 발생하고 이로 인한 변형과 기공률이 증가하는 문제로 안정적으로 얇은 벽을 제작하는데 한계가 존재한다[4]. 이러한 문제를 극복하기 위해 공정 및 스캔 전략을 변화시켜 thin-wall 구조를 제작하는 연구가 이루어지고 있다[5-7]. W. Ziheng[5]는 금속 L-PBF 공정에서 thin-wall 구조의 스캔 전략 및 두께에 따른 제작성을 평가하기 위해 300 um 이내 두께에서는 스캔 전략을 단일비드(Single-bead)
방식을 적용하여 100~200 um 두께의 thin-wall 구조를 제작하였다. Y. huihui[6]는 단일 비드 스캔 전략에서 에너지 입력을 키홀 모드(Key hole mode)와 전도 모드(Conduction mode)를 활용하여 200 um
두께의 thin-wall 구조를 제작하여 평가하였다.
Thin-wall 구조를 제작하기 위해 제안되는 또 다른 방법은 레이저 출력을 펄스파(Pulsed Wave, PW) 모드로 방출하는 것이다. PW
모드가 적용된 L-PBF는 기존에 주로 사용되던 연속파(Continuous Wave, CW)모드와 비교하여 열 영향이 감소하고[8] 형상 정밀도 및 정밀 구조 제작에 유리하다[9-10]. K. Karami et al.[9]의 연구에서 CW 모드와 PW 모드로 제작된 격자 구조(Lattice structure)의 형상 평가 결과 PW 모드에서 얇은 격자 구조물의 단위
스트럿(strut) 두께가 더 균일한 것으로 확인하였다. A. Demir[10]는 PW 모드와 CW 모드로 thin-wall을 제작하여 치수 오차 및 기공률을 평가한 결과, PW 모드에서 기공률은 높으나 격자 구조 및 thin-wall과
같이 미세한 구조에 더 적합한 공정임을 확인하였다. 그러나 더 얇은 두께를 구현하기 위해 PW 모드를 적용한 L-PBF에서 단일 비드로 제작된 thin-wall에
대한 평가는 여전히 부족하다. 또한, PW 모드가 thin-wall과 같은 얇고 미세한 구조의 제작 장점이 있으나, PW 모드의 다양한 공정 변수에
의해 발생하는 높은 기공률은 실제 부품에 적용하는 데 어려움이 있다.
본 연구에서는 L-PBF 공정에서 더욱 얇은 고밀도 thin-wall 구조를 제작하기 위해 열 영향이 적고 정밀한 형상 제작에 유리한 PW 모드를
적용하여 CW 모드와의 레이저 방출 모드에 따른 단일 비드로 제작한 thin-wall 구조의 성형 특성을 평가하였고 시편 단위에서 높은 밀도를 갖는
공정 조건을 위한 레이저 모드 차이에 따른 기공율, 용융풀 형상 및 기계적 물성과 같은 L-PBF 공정 특성 평가를 진행하였다. 실험을 위해 큐브
시편과 인장 시편을 제작하여 PW 모드와 CW 모드의 특징을 비교하였다. PW 모드를 통해 더욱 얇은 고밀도의 thin-wall을 제작 시 L-PBF
공정의 설계 한계를 극복하여 얇은 벽을 필요로 하는 다양한 산업에 적용될 것을 기대할 수 있다.
2. Body
2.1 Laser Powder Bed Fusion(L-PBF) Process
금속 분말이 깔린 기판에 선택적으로 레이저를 조사하여 분말을 용융시켜 한 층씩 쌓아 올리는 적층제조 방식인 L-PBF의 공정은 그림 1에 표시된 레이저 스캔 방향(Laser scan vector)을 따라 정해진 레이저 출력(P) 및 레이저 스캔 속도(v)로 형성되는 단일 비드의 중첩을
통해 한 층씩 적층하는 방식이다. 마이크로 스케일의 분말 위에 레이저를 미세하게 조사하여 제작하는 방식이기 때문에 정밀도에서 장점이 있고, 복잡한
형상, 난삭재 제작 등의 장점이 있다. 대표적인 L-PBF 공정 변수에는 레이저 출력(P), 스캔 속도(v), 해칭 간격(h), 레이어 두께(t)가
있다. 이때 일반적인 L-PBF 공정에서의 체적 에너지 밀도(Volume Energy Density, VED) 이론식은 식 1과 같이 계산할 수 있다.
레이저 출력(P)에 스캔 속도(v), 레이어 두께(t), 해칭 간격(h)를 나눈 값으로 단위 체적 당 투입되는 에너지로서 L-PBF에서 대표적인 공정
지표가 된다.
그림 1. 레이저 분말베드융해 공정 도식
Fig. 1. Laser Power Bed Fusion process diagram
2.1.1 L-PBF laser emission mode
L-PBF 공정에서 사용되는 열원은 레이저로 방출 모드에 따라 크게 CW와 PW 모드로 구분한다. 두 가지 모드에 대한 레이저 출력-시간 도식을 그림 2에 나타내었다. CW 모드(그림 2a)는 시간에 따른 출력 변화 없이 연속적으로 레이저를 조사하지만 PW 모드(그림 2b)는 시간에 따라 레이저 출력이 On-Off를 반복하는 펄스파 형태를 띤다. 시간에 따른 출력 차이에 의해 CW 모드에서 레이저 출력(P)과 스캔
속도(v)로 단일 비드 형성이 결정되지만 PW 모드는 레이저 출력, 스캔 속도와 함께 펄스 공정 변수가 추가로 고려되어야한다. 따라서 PW 모드가
적용된 L-PBF에서 공정 설계 시 더욱 다양한 공정변수 및 변수 간 상관관계를 고려하여야한다.
그림 2. 레이저 방출 모드에 따른 출력-시간 도식 (a) CW 모드, (b) PW 모드
Fig. 2. Power-time diagram according to laser emission mode (a) CW mode, (b) PW mode
2.1.2 L-PBF process parameters
본 연구에서 사용된 공정 파라미터는 표 1에 나타냈다. 적층 제조에서 고품질 부품을 제작하기 위한 전제조건은 균일하고 연속적인 비드 형성을 통해 높은 밀도를 갖는 안정적인 3차원 부품을 제작하는
것이다. 따라서 이번 연구에서 선택된 공정 조건은 CW 모드의 경우 사전에 진행된 공정 최적화 결과 99.99%의 면밀도 조건을 갖는 최적화된 공정
조건으로 레이저 파워 280 W, 스캔 스피드 1000 mm/s, 해칭 간격 110 um, 레이어 두께 40 um를 적용했다. PW 모드의 공정 조건은
스캔 속도에 영향을 크게 받기 때문에 스캔 속도는 고정한 채 펄스 공정 조건인 듀티 사이클(Duty cycle)을 변화시켜 고정된 스캔 속도에서 균일하고
연속적인 비드를 형성하는 조건을 선정하였다. PW 모드의 효과 관찰을 위해 CW 모드와 동일한 레이저 출력, 스캔 속도에서 듀티 사이클(Duty cycle)
60%가 적용되었다. 펄스 레이저가 적용되는 공정에서 사용되는 이론[11]에 의해 실제 조사되는 레이저 출력은 평균 파워(Pavg)를 적용한다.
이때 평균 파워(Pavg)는 정해진 출력 값(P)에 펄스폭(w)과 주기(Period)의 비인 듀티 사이클(Duty cycle)의 곱으로 결정된다.
따라서 PW 모드에서 실제 투입되는 에너지는 동일한 출력 값에서도 Duty cycle의 곱만큼 낮은 에너지 입력을 가진다. 이때 PW 모드에서의 단위
길이당 투입되는 에너지인 선형 에너지 밀도(Linear Energy Density, LEDPW)와 체적 에너지 밀도(Volume Energy Density,
VEDPW)는 식 3, 4에 나타내었다.
표 1 실험 공정 파라미터
Table 1 Experimental process parameters
|
|
CW mode
|
PW mode
|
|
Laser Power
|
280W
|
|
Scan speed
|
1000mm/s
|
|
Layer thickness
|
40um
|
|
Rotating angle
|
67°
|
|
Duty cycle
|
-
|
60%
|
단일 트랙을 형성하는데 필요한 레이저 파워와 스캔 스피드의 비로 나타나는 LED에서부터 PW 모드와 CW 모드의 에너지 유입의 차이가 발생하고 이는
VED의 차이로 이어진다.
2.2 Experimental and Methods
2.2.1 3D Printing machine and Material
본 연구에서 사용된 3D프린터 장비는 EOS社(미국)의 M290(250 × 250 × 325 mm3, Yb-fiber laser, 최대 출력 400
W)이며, 가스 분무법(Gas atomization)으로 제작된 인코넬 718 (IN718) 분말을 사용하였다. 보유한 분말의 화학적 조성은 표 2에 나타내었다. 화학 조성 결과 ASTM B637 규격 조성에 적합한 IN 718 분말인 것을 확인하였다.
표 2 인코넬 718 소재 화학 조성(wt %)
Table 2 Inconel 718 chemical Composition(wt %)
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|
ASTM B637
|
Used Powder
|
|
Fe
|
Rem.
|
Rem.
|
|
Ni
|
50-55
|
53.86
|
|
Cr
|
17-21
|
18.8
|
|
Nb
|
4.75-5.5
|
5.19
|
|
Mo
|
2.8-3.3
|
3.04
|
|
Ti
|
0.65-1.15
|
1.08
|
|
Al
|
0.2-0.8
|
0.51
|
2.2.2 Test geometry and method
실험에 사용된 시편 모델은 그림 3에 나타냈다. Thin-wall 시편(그림 3a)은 붉은 점선 화살표 방향으로 단일 비드 적층되었으며 L-PBF 공정에서 구현할 수 있는 가장 좁은 레이저 조사 전략이다. 시편의 측면은 1mm
두께의 벽으로 지지하고 있으며 thin-wall의 높이는 8mm로 제작하였다. 기판과의 접합성을 고려하여 4mm 높이부터 thin-wall 구조가
적층되었다. CW 모드는 연속으로 레이저를 조사하여 단일 비드로 한 층씩 적층하고(그림 3b), PW 모드는 on-off를 반복하는 펄스파 형태로 레이저를 조사하여 단일 비드를 적층한다(그림 3c). 단면 밀도, 용융풀 형태, 경도 측정을 위한 큐브 시편(그림 3d)은 한 변이 10mm인 정육면체이며 큐브 시편의 최상단(Top layer)은 용융풀 관찰을 위해 그림 3d 우측 그림처럼 y 방향과 수직하도록 설정하였다.
그림 3. Thin-wall 모델과 단일 비드 적층 전략 및 큐브 시편 모델과 레이어 회전 도식, (a) Thin-wall 모델, (b) CW 모드
단일 비드 적층 도식, (c) PW 모드 단일 비드 적층 도식, (d) 큐브 시편 및 측정 단면(녹색)
Fig. 3. Thin-wall modeling with single bead additive strategy and cube specimen with
layer rotating angle schematic diagram, (a) Thin-wall modeling, (b) CW mode single
bead, (c) PW mode single bead, (d) cube specimen and section area(green)
두 시편은 표 1의 공정 조건으로 모드별 각각 1개씩 제작되었으며 thin-wall 시편은 광학 현미경(Optical microscopy, OM)으로 단면 두께를
측정하였고, 큐브 시편은 녹색으로 하이라이트된 영역의 단면을 OM을 통해 면밀도 및 용융풀 형상을 분석하고, Struers社의 Duramin-40
비커스 경도계로 경도를 측정하였다. 경도는 조건별로 9개 포인트를 측정 후 평균값을 나타냈다. 경도와 함께 기계적 물성 평가를 위해 인장시험을 진행하였다.
인장시편은 적층 방향(Vertical)으로 출력된 사각 기둥(15 × 15 × 125 mm3)을 ASTM E8/E8M 규격에 맞춰 가공한 뒤 상온에서
MTS社 Landmark(250kN) 만능 시험기로 실험을 진행하였다.
기계적 물성 평가는 레이저 방출 모드와(CW, PW) 열처리 전후(As built, AB / Heat Treated, HT)별로 결과를 비교하였다.
시편의 열처리는 AMS 5662 조건을 기반으로 고용화 열처리(954℃, 1시간, 가스 퀜칭(Gas Quenching)) 후 시효처리(718℃, 8시간,
노냉 → 621℃, 8시간, 가스 퀜칭)되었다. 인장시편은 조건별 각각 3개 시편의 평균 결과를 나타냈다.
3. Result
3.1 Thin-wall structure evaluation
CW 모드와 PW 모드가 각각 적용된 Thin-wall 구조의 출력된 사진 및 단면 OM 이미지를 그림 4에 나타내었다. CW 모드 시편(그림 4a)의 경우 약 145~160 um 두께 범위를 가지며 평균적으로 150 um의 두께를 갖는다. 반면 PW 모드 시편(그림 4b)의 경우 약 80~95 um 두께 범위를 가지며 평균적으로 90 um의 두께를 갖는다.
그림 4. Thin-wall 출력물 및 단면 두께 측정 결과, (a) CW 모드, (b) PW 모드
Fig. 4. Manufactured thin-wall specimens and result of section thickness, (a) CW mode,
(b) PW mode
두 시편에서 발생한 60 um 수준의 두께차이는 단일 비드를 형성하는데 투입되는 입력 에너지인 LED의 크기의 차이 때문에 발생한 것으로 추정된다.
두 thin-wall 제작에 적용된 LED는 CW 모드에서 0.28 J/mm, PW 모드에서 0.168 J/mm로 CW 모드에서 약 1.67 배 더
큰 LED를 가진다. M. Sadowski[12]의 레이저 출력과 스캔 속도에 따른 단일 비드와 용융풀의 폭, 깊이 조사에 따르면 투입되는 레이저 출력이 클수록, 스캔 속도가 느릴수록 비드와 용융풀의
폭은 커진다. 또한 단일 비드의 폭 측정 결과에서 출력과 속도가 각각 200 W, 700 mm/s에서 비드 폭이 144.5±9.2 um로 측정됐는데
이때 LED는 약 0.286 J/mm로 본 연구에서 적용된 CW 모드의 0.28 J/mm와 2 % 차이의 LED를 가지며 실제 측정된 비드의 폭에서도
5 um 수준의 차이를 보였다. 반면 레이저 출력을 절반으로 줄인 100 W, 700 mm/s에서 LED 0.143 J/mm, 폭은 약 101.4±12.5를
가졌다. 결과적으로 LED가 50 % 감소할 때 폭이 약 30 % 감소했으며, 본 연구 결과도 Duty cycle로 인한 LED가 40 % 감소했을
때 폭도 약 40 % 감소하였다. 따라서 본 연구에서 나타난 단일 비드의 폭 차이는 LED의 감소에 따른 결과로 나타난 것으로 판단되나, 감소된 LED
수준의 CW 모드는 동일한 스캔 속도일 때 168 W의 레이저 출력을 가져야하며, 이때 CW 모드의 168 W, 1000 mm/s의 조건에서 제작된
thin-wall은 그림 5에서 보듯 PW 모드와 동일한 LED임에도 접합 및 용융 불량 등의 문제가 동반된다. 따라서 레이저 출력과 스캔 속도의 조절을 통한 LED의 감소로
벽두께의 감소를 기대할 수 있으나, 2.1.2장에서 언급한 고품질 AM 제품의 전제조건과 같이 안정적인 구조의 제작이 달성되기 위해서는 PW 모드로
제작된 thin-wall이 제작성 측면에서 안정적이고 얇은 두께 제작에 유리한 것으로 판단된다. 이는 기존 PBF 공정 내 thin-wall 제작에서
발생하는 구조적 결함과 두께 한계를 함께 극복하여 다양한 산업에 적용될 것으로 기대한다.
그림 5. PW 모드와 동일한 LED의 CW 모드로 제작된 thin-wall 결함
Fig. 5. Thin-wall defects in CW mode on the same LED as PW mode
3.2 Density and Melt pool morphology
Thin-wall 적층 후 기공률 평가를 위해 그림 3d의 큐브 시편을 제작해 면밀도를 분석하였으며 그 결과를 그림 6에 나타냈다. 두 조건에서 모두 용융 부족(Lack of fusion)이 관찰되지 않고 작은 크기의 둥근 키홀(Key hole) 형태의 기공이 확인되었다.
PW 모드는 펄스 공정 변수에 의해 단일 비드에서부터 기공률이 발생할 수 있으나 분석 결과, 표 1에서 보여준 공정 조건으로 제작된 CW 및 PW 모드 큐브 시편에서 99.99 %의 높은 밀도를 갖는 것을 확인하였다.
그림 6. 레이저 방출 모드별 단면 밀도, (a) CW 모드, (b) PW 모드
Fig. 6. Density by laser emission mode, (a) CW mode, (b) PW mode
그림 7. 레이저 방출 모드별 용융풀 측정 이미지, (a) CW 모드, (b) PW 모드
Fig. 7. Image of melt pool measurement by laser emission mode, (a) CW mode, (b) PW
mode
밀도 분석 후 화학 에칭을 통해 그림 3d의 큐브 시편 최상단 용융풀을 분석하였다. 용융풀 OM 이미지는 그림 7에 나타내었다. 용융풀의 경계는 하얀 점선으로 표시하였다. 용융풀의 깊이는 CW 모드에서 약 195 um이고 PW 모드에서는 약 95 um 정도로
CW 모드에서 약 2배 깊은 용융풀을 가진다. 반면 용융풀의 반 폭(Half-width)의 측정 결과 CW 모드에서 약 110 um이고, PW 모드에서는
약 70 um 정도로 CW 모드가 약 1.57 배 큰 값을 보인다. 세장비(Aspect Ratio)는 CW 모드에서 1.77, PW 모드에서 1.36으로
CW 모드의 용융풀은 깊고 날카로운 형태를 띄는 반면 PW 모드의 용융풀은 깊이가 얕고 용융풀 끝단이 큰 곡률반경을 갖는 둥근 형상을 가진 것을 볼
수 있다. 이는 Biffi[13]의 연구에서 PW 모드에서 낮은 에너지로 더욱 둥근 용융풀의 형상을 갖는 결과와 잘 일치한다. 또한 M. Sadowski[12]의 용융풀 폭이 동일하게 200 W, 700 mm/s에서 약 242.9 um와 본 실험 결과 CW 모드의 220 um 결과와 유사하고, 100 W,
700 mm/s의 150.7 um의 폭과 본 실험의 PW 모드의 140 um와 근사한 것으로 보아 thin-wall 두께와 마찬가지로 용융풀 측정
결과에서도 에너지 밀도에 따른 크기 차이가 나타난 것으로 관찰된다.
용융풀 형상 분석 결과를 3.1장의 Thin-wall 구조의 단면 두께의 결과와 비교하면 thin-wall의 두께에서 CW 모드가 PW 모드보다 약
1.67 배 두꺼운 것으로 나타났으며 용융풀 폭에서도 CW 모드가 약 1.57 배 큰 형상을 가진 것을 확인하였다. PW 모드는 동일한 레이저 출력과
스캔 속도에도 Duty cycle로 인한 에너지 유입이 60 %로 감소하고 이는 작고 둥근 용융풀 형성을 야기하여 그 결과 단일 트랙으로 제작한 thin-wall
구조에서 더욱 얇은 구조의 제작을 가능하게 하였다.
3.3 Mechanical Properties
기계적 물성 평가 결과 AB 조건과 HT 조건의 인장시험 및 경도 측정 결과를 그림 8과 표 3에 나타내었다. 그림 8a는 AB 조건에서의 인장시험 결과 그래프이며 그림 8b는 HT 조건에서의 인장시험 결과 그래프이다. 인장시험 결과 그래프의 왼쪽 축에 강도(Strength), 오른쪽 축에 연신율(Elongation)
값을 표현하였고 비커스 경도 측정 결과를 그림 8c에 나타내었다.
그림 8. 열처리 조건에 따른 인장시험, 경도 측정 결과, (a) 열처리 전 인장시험 결과, (b) 열처리 후 인장시험 결과, (c) 비커스 경도
결과
Fig. 8. Tensile test and hardness result in AB, HT, (a) As built tensile test result,
(b) Heat treated tensile test result, (c) Vickers hardness result
평가 결과 AB 조건의 항복강도, 인장강도, 연신율, 경도 모두 동등한 수준이고 HT 조건에서 항복강도가 약 34 MPa, 인장강도가 12 MPa
높은 결과를 얻었다.
PW 모드 공정 조건으로 제작된 시편의 밀도 및 기계적 물성 결과가 기존 최적화된 CW 모드 공정조건으로 제작된 시편의 결과와 비교해 동등한 결과를
가진 것으로 PW 모드로 제작한 thin-wall 구조에서 얇은 두께뿐만 아니라 잠재적인 구조적 안정성까지 기대할 수 있다.
표 3 기계적 물성평가 결과
Table 3 Mechanical properties result
|
|
As built
|
Heat treated
|
|
CW
|
PW
|
gap
|
CW
|
PW
|
gap
|
|
Yield Strength [MPa]
|
655
±13
|
658
±4
|
3
|
1169
±9
|
1203
±2
|
34
|
|
Tensile Strength [MPa]
|
979
±9
|
983
±9
|
4
|
1408
±13
|
1420
±3
|
12
|
|
Elongation [%]
|
36.1
±0.3
|
37.4
±0.2
|
1.3
|
18.6
±0.2
|
19.8
±0.3
|
1.2
|
|
Hardness [HV]
|
336
±7
|
335
±6
|
1
|
507
±8
|
518
±6
|
11
|
그림 9. 열처리 전 후 인장 시험 그래프 및 가공경화, (a) 열처리 전 인장시험 그래프, (b) 열처리 전 가공경화 그래프, (c) 열처리 후
인장시험 그래프, (d) 열처리 후 가공경화 그래프
Fig. 9. Tensile test graph and comparison of work hardening in AB, HT condition, (a)
Tensile test graph in as built, (b) Work hardening graph in as built, (c) Tensile
test graph in heat treated, (d) Work hardening graph in heat treated
또한 두 레이저 모드의 열처리 유무에 따른 가공경화율(Work hardening rate) 평가를 진행하였다. 인장시험 그래프 및 가공경화 분석 그래프는
그림 9에 나타내었다. AB 조건에서의 모드별 가공경화율 평가 결과 동등한 경향이 나타나지만 열처리 후 CW 모드와 PW 모드에서 초기 소성변형 구간인 0.2~
5% 구간에서 가공경화율 편차가 발생하였다. HT 조건에서 비슷한 수준의 인장강도를 보였지만 PW 모드의 항복강도가 증가한 것으로 가공경화률 감소가
이루어진 것으로 추정된다. 이는 PW 모드에서 발생하는 on-off 형태의 출력에 따른 냉각속도의 증가[14]에 의해 AB 조건에서 편석 및 2차상의 감소가 야기되어 열처리 과정 중 용체화 단계에서 PW 모드의 편석과 2차상이 더 잘 용해된 것으로 판단되어
시효 열처리 단계에서 더 효과적인 석출이 이루어져 강도의 증가로 나타난 것으로 판단된다[15].
PW 모드에서의 항복 강도 증가는 기계 가공이 어렵거나 구조적으로 가공이 불필요한 출력물을 바로 사용하는 최종형상근접(Near net shape)과
같은 부품에 적용되었을 때 장점이 있다. Thin-wall은 대표적인 최종형상근접 구조로서 thin-wall 제작 시 PW 모드로 제작하는 것이 기계적
물성에서도 장점이 있는 것을 확인하였다.
4. Conclusion
본 연구는 L-PBF 공정 내 레이저 방출 모드를 PW 모드로 조사하여 단일 비드로 적층된 thin-wall을 제작, 평가하고 시편 분석을 통해 PW
모드가 적용된 L-PBF 공정의 특성을 CW 모드와 비교하였다. 연구 결과는 아래과 같다.
⦁동일한 레이저 출력과 스캔 속도에서 제작된 thin-wall의 두께는 PW 모드에서 CW 모드 보다 40 % 얇은 두께를 가지며 그 두께는 약 90
um 수준이다. 이는 낮은 에너지 밀도에 의한 영향으로 판단된다.
⦁동일한 에너지 밀도에서 단일 비드 thin-wall 제작 결과 PW 모드에서 더욱 안정적이고 얇은 두께를 제작할 수 있다.
⦁펄스 공정으로 99.99 %의 밀도 및 CW 모드와 동등한 기계적 물성 결과를 얻을 수 있으며, 이를 통해 thin-wall 구조의 잠재적인 구조적
안정성을 확인하였다.
⦁용융풀 형상 분석 결과 PW 모드에서의 용융풀의 깊이가 CW 모드에 비해 약 2배 낮고, 폭은 1.57배 좁은 크기를 갖지며 더욱 둥근 형태의 용융풀을
가진다. 이 결과 동일한 레이저 파워, 스캔 속도에서 펄스 공정 변수가 용융풀 형성에 미치는 영향을 확인하였다.
⦁열처리 시편에서 PW 모드의 높은 항복 강도는 thin-wall과 같이 최종형상근접 구조에 장점이 있다.
향후 다양한 공정 변수 제어를 통해 안정적으로 제작 가능한 thin-wall의 두께별 설계 가이드를 제시하고, thin-wall 구조의 기계적 물성을
평가를 통해 구조적 안정성을 확인하여 thin-wall이 적용되는 다양한 산업에 접목될 것으로 기대한다. 특히 더욱 얇은 thin-wall은 열교환기나
연소기 냉각채널과 같은 열 교환 효율 개선이 필요한 부품에 적용됐을 때 냉각 효과 증가 등을 기대할 수 있다. 또한 펄스파 모드가 적용된 L-PBF
공정은 에너지 입력 방식의 차이로 인해 발생한 용융풀 거동 차이로 인해 CW 모드와 잔류응력, 미세조직과 같은 특성 차이가 존재하여 CW 모드와 PW
모드의 공정 특성화 연구도 이뤄질 것으로 기대한다.
Acknowledgements
JH.B. and JH.L. contributed equally to this work. This study was supported
by the Korea Evaluation Institute of Industrial Technology (KEIT) (No. 20021996) grant
funded by the Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTIE, Korea) and the Korea Institute
of Industrial Technology (KITECH) internal project (No. UR24009)
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저자소개
He received the B.S degree in Aerospace Engineering from Sunchon National University,
Sunchon, Korea, in 2019. He is presently a M.S student majoring Mechanical Design
Engineering in Hanyang University, Seoul, Korea.
He received the M.S. degree in Mechanical Engineering from KNUT, Korea in 2015. He
is currently a Ph.D. student at Hanyang University.
He received the B.S degree in Mechanical Engineering from Incheon National University,
Incheon, Korea, in 2021, and the M.S degree in Mechanical Design Engineering from
Hanyang University, Seoul, Korea. He is presently a researcher of Korea Institute
of Industrial Technology
He received his B.S. degree in Mechanical Engineering from Pusan National University,
Busan, Korea, in 2017, and the M.S. degree in Mechanical Engineering from the same
university in 2019. Since 2020, he has been a Researcher at the Korea Institute of
Industrial Technology (KITECH) in Korea. His research interests include product design
and process simulation for additive manufacturing.
Principal researcher in Korea Institute of Industrial Technology (KITECH). His research
interest is additive manufacturing process.
Senior researcher in Korea Institute of Industrial Technology (KITECH). His research
interest is additive manufacturing process and design for additve manufacturing.