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문제 정의
- 제작된 형상은 수직으로 쌓아 올린 단순한 형상에 그치고 있어 3D 프린팅의 장점을 살리지 못하고 있는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 LPD 방식의 프린터를 개발하고 이를 이용하여 티타늄 합금이 가장 많이 쓰이는 산업인 우주항공 분야의 엔진 배기 시스템에 주로 사용되는 기울기를 가진 콘 모양의 원통을 제작하고자 한다.
- 본 연구에서는 다양한 3차원 금속 부품 제작이 가능한 레이저 분말 적층(LPD) 방식의 3D 프린터를 자체적으로 개발하였다. 항공우주 분야의 부품소재로 널리 쓰이는 Ti-6Al-4V 금속 소재에 대해 공정을 최적화 하였으며 인장시편을 제작하여 인장시험과 성분분석을 수행하였다.
제안 방법
- 3은 각 실험 조건에 해당하는 분말 효율을 그래프로 표현하였다. 각각의 속도와 레이저의 세기, 분말 분사량에 따른 적층을 5회 수행하여 높이와 폭을 이용하여 분말 효율을 계산하였다. 분말 효율 계산 결과, 레이저의 세기가 커질수록 분말 효율은 증가하였으나, 분말 분사량은 일정 수준 이상에서 효율이 증가하지 않고 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
- 실험에서 사용된 레이저는 1kW fiber 레이저(CW, 1070nm)이며 장치는 빔 전송을 위한 광학계, Ar purge 챔버, 분말 분사 시스템, 3축 스테이지와 각종 센서 및 제어장치로 구성된다. 금속 분말은 독립된 노즐을 통해 Ar 가스와 함께 분사되도록 설계하였다. 본 프린터를 이용하면 최대 500mm 직경과 높이 500mm 크기의 티타늄합금 부품을 불활성 분위기 조건에서 제작할 수 있다.
- 본 실험에서 사용된 LPD 시스템은 본 연구실에서 자체적으로 구축한 시스템이다. Fig.
- 4와 같이 폭 115mm, 높이 40mm 및 두께 5mm의 Ti-6Al-4V 평판을 제작하였다. 이후 제작된 Ti-6Al-4V 평판을 이용하여 Fig. 5의 치수를 갖는 3.8mm 두께의 인장시편을 제작하였으며 이를 이용하여 인장시험과 성분 분석을 수행하였다. 인장시험 결과는 Table 2와 같이 항복강도와 인장강도가 각각 1079MPa과 1107MPa로 ASTM 규격보다 20% 이상 높음을 알 수 있으며 연신율의 경우 7.
- 측정 결과로부터 분말 효율(catchment efficiency)이 좋은 공정 조건을 이용하여 분말을 적층하여 인장시편을 제작하였다. 인장실험은 최대용량 50kN 인 만능재료시험기를 사용하였으며 적층시편의 성분분석에는 산소/질소/수소 성분 분석기(LECO ONH836)와 탄소/황 분석기(LECO CS744)를 사용하였다.
- 실험에서 사용한 공정 변수들은 Table 1에 간략히 나타내었으며 각각의 공정조건에 대해 적층하고 폭을 측정하였다. 측정 결과로부터 분말 효율(catchment efficiency)이 좋은 공정 조건을 이용하여 분말을 적층하여 인장시편을 제작하였다. 인장실험은 최대용량 50kN 인 만능재료시험기를 사용하였으며 적층시편의 성분분석에는 산소/질소/수소 성분 분석기(LECO ONH836)와 탄소/황 분석기(LECO CS744)를 사용하였다.
- 본 연구에서는 다양한 3차원 금속 부품 제작이 가능한 레이저 분말 적층(LPD) 방식의 3D 프린터를 자체적으로 개발하였다. 항공우주 분야의 부품소재로 널리 쓰이는 Ti-6Al-4V 금속 소재에 대해 공정을 최적화 하였으며 인장시편을 제작하여 인장시험과 성분분석을 수행하였다. 인장시험 결과, 각종 산업적 응용에 적합한 우수한 기계적 물성을 갖는 것을 확인할 수 있었고 성분분석 결과 역시 기준치를 만족했다.
대상 데이터
- Ti 합금 시제품의 제작에는 600, 700, 800W의 출력을 이용하였고, 초점 크기는 1.9mm를 유지하면서 실험을 수행하였다. 또한 분말 이송시스템의 경우, 전압을 이용하여 분말 분사량을 조절하였으며, 분말입경이 150µm이하인 구형Ti-6Al-4V 티타늄 합금 분말을 사용하였다.
- 또한 분말 이송시스템의 경우, 전압을 이용하여 분말 분사량을 조절하였으며, 분말입경이 150µm이하인 구형Ti-6Al-4V 티타늄 합금 분말을 사용하였다.
- 분말 효율이 가장 좋은 공정조건을 이용하여 분말을 적층하여 Fig. 4와 같이 폭 115mm, 높이 40mm 및 두께 5mm의 Ti-6Al-4V 평판을 제작하였다. 이후 제작된 Ti-6Al-4V 평판을 이용하여 Fig.
- LPD 시스템은 크게 레이저 시스템과 분말 이송시스템으로 구분할 수 있다. 실험에서 사용된 레이저는 1kW fiber 레이저(CW, 1070nm)이며 장치는 빔 전송을 위한 광학계, Ar purge 챔버, 분말 분사 시스템, 3축 스테이지와 각종 센서 및 제어장치로 구성된다. 금속 분말은 독립된 노즐을 통해 Ar 가스와 함께 분사되도록 설계하였다.
성능/효과
- 각각의 속도와 레이저의 세기, 분말 분사량에 따른 적층을 5회 수행하여 높이와 폭을 이용하여 분말 효율을 계산하였다. 분말 효율 계산 결과, 레이저의 세기가 커질수록 분말 효율은 증가하였으나, 분말 분사량은 일정 수준 이상에서 효율이 증가하지 않고 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 분말 효율이 가장 우수한 실험 조건은 레이저 세기 800W, 속도 360mm/min, 분말 분사량 10.
- 분말 효율 계산 결과, 레이저의 세기가 커질수록 분말 효율은 증가하였으나, 분말 분사량은 일정 수준 이상에서 효율이 증가하지 않고 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 분말 효율이 가장 우수한 실험 조건은 레이저 세기 800W, 속도 360mm/min, 분말 분사량 10.8g/min 이며, 이때의 분말 효율은 약 25% 정도였다.
- 항공우주 분야의 부품소재로 널리 쓰이는 Ti-6Al-4V 금속 소재에 대해 공정을 최적화 하였으며 인장시편을 제작하여 인장시험과 성분분석을 수행하였다. 인장시험 결과, 각종 산업적 응용에 적합한 우수한 기계적 물성을 갖는 것을 확인할 수 있었고 성분분석 결과 역시 기준치를 만족했다. 한편, 기울기를 가진 튜브형상의 Ti-6Al-4V 부품 제작을 통하여 30cm가 넘는 크기의 부품을 부가적인 공정 없이 정밀 제작이 가능함을 확인하였다.
- 8mm 두께의 인장시편을 제작하였으며 이를 이용하여 인장시험과 성분 분석을 수행하였다. 인장시험 결과는 Table 2와 같이 항복강도와 인장강도가 각각 1079MPa과 1107MPa로 ASTM 규격보다 20% 이상 높음을 알 수 있으며 연신율의 경우 7.1 %로 ASTM 규격보다 낮은 70% 수준을 보였다. 연신율의 경우, ASTM 규격 이하의 수치를 가지기 때문에 본 연구실에서 개발한 3D 프린터로 제작된 부품을 상용 부품으로서 사용할 수 없다.
- 따라서 본 연구실에서 개발한 3D 프린터를 이용해 제작한 부품은 HIP 공정을 통해 상용 부품으로 사용 가능할 것으로 예상된다. 인장시험 후, 인장시편을 이용하여 성분분석을 수행하였으며 성분분석 결과는 Table 3와같이 ASTM 규격을 만족함을 알 수 있다.
- 인장시험 결과, 각종 산업적 응용에 적합한 우수한 기계적 물성을 갖는 것을 확인할 수 있었고 성분분석 결과 역시 기준치를 만족했다. 한편, 기울기를 가진 튜브형상의 Ti-6Al-4V 부품 제작을 통하여 30cm가 넘는 크기의 부품을 부가적인 공정 없이 정밀 제작이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 3D 프린터는 향후 다양한 연구·개발에 활용될 것으로 기대된다.
후속연구
- 하지만, Table 2에 있는 Alcisto 등7 이 본 연구와 유사하게 3D 프린팅으로 제작한 Ti-6Al-4V소재의 물성과 비교하면 본 연구에서 제작된 Ti-6Al-4V소재의 물성이 다소 우수함을 알 수 있으며 Alcisto 등이 추가적으로 수행한 열간 등가압(hot isostatic press, HIP) 공정을 통한 연신율 향상효과를 볼 때 추가적인 HIP공정으로 ASTM 규격 이상의 연신율을 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 본 연구실에서 개발한 3D 프린터를 이용해 제작한 부품은 HIP 공정을 통해 상용 부품으로 사용 가능할 것으로 예상된다. 인장시험 후, 인장시편을 이용하여 성분분석을 수행하였으며 성분분석 결과는 Table 3와같이 ASTM 규격을 만족함을 알 수 있다.
- 한편, 기울기를 가진 튜브형상의 Ti-6Al-4V 부품 제작을 통하여 30cm가 넘는 크기의 부품을 부가적인 공정 없이 정밀 제작이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 3D 프린터는 향후 다양한 연구·개발에 활용될 것으로 기대된다.
- 연신율의 경우, ASTM 규격 이하의 수치를 가지기 때문에 본 연구실에서 개발한 3D 프린터로 제작된 부품을 상용 부품으로서 사용할 수 없다. 하지만, Table 2에 있는 Alcisto 등7 이 본 연구와 유사하게 3D 프린팅으로 제작한 Ti-6Al-4V소재의 물성과 비교하면 본 연구에서 제작된 Ti-6Al-4V소재의 물성이 다소 우수함을 알 수 있으며 Alcisto 등이 추가적으로 수행한 열간 등가압(hot isostatic press, HIP) 공정을 통한 연신율 향상효과를 볼 때 추가적인 HIP공정으로 ASTM 규격 이상의 연신율을 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 본 연구실에서 개발한 3D 프린터를 이용해 제작한 부품은 HIP 공정을 통해 상용 부품으로 사용 가능할 것으로 예상된다.
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