[논문]와이어 송급 레이저 금속 3차원 적층 연구동향

감동혁; 김영민; 김철희

doi:10.5781/jwj.2016.34.1.35

와이어 송급 레이저 금속 3차원 적층 연구동향
Recent Studies of Laser Metal 3D Deposition with Wire Feeding 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.34 no.1, 2016년, pp.35 - 40

감동혁 (한국생산기술연구원 용접접합그룹) , 김영민 (한국생산기술연구원 용접접합그룹) , 김철희 (한국생산기술연구원 용접접합그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Recent developments of Laser metal 3D deposition with wire feeding are reviewed which provide an alternative to powder feeding method. The wire feeding direction, angle and position as well as laser power, wire feeding rate, and deposition speed are found to be key parameters to make quality deposition with high throughput. When compared with the powder feed, the wire feed shows higher material efficiency, higher deposition rate, and smoother surface. Large elongated columnar grains which have epitaxial growth across deposit layers are observed in deposit cross sections. The growth direction is parallel to the thermal gradient during the deposit process. Tensile properties are found to be dependent on the direction due to the anisotropic deposit property. A real-time feedback control is demonstrated to be effective to improve the deposition stability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

. 따라서 본 논문은 현재까지 진행된 와이어송급을 이용한 DED 공법에 대한 주요 연구 성과에 대해 알아보도록 하고 향후 연구개발 방향에 대하여 논의하고자 한다.
본 리뷰 논문에서는 와이어송급 DED공정의 공정 특성, 와이어송급과 분말송급 공정 비교, 미세조직 및 기계적 물성, 그리고 공정 모니터링 및 실시간 제어에 관한 선행 연구결과를 요약하였다. 와이어송급 방식은 높은 생산성과 재료효율, 낮은 산화오염 위험성 등의 장점을 가지고 있지만 낮은 형상 정밀도와 자유도로 인해 제한적으로 활용되고 있다.

가설 설정

이때 카메라에 밴드패스 필터를 설치하여 측정정밀도를 높였다. 또한 용융풀의 폭은 레이저 출력에 주로 영향을 받고 높이는 와이어 송급 속도에 주로 영향을 받는다는 실험적 근거를 가정으로 PI 제어기를 제작하였다. Fig.

제안 방법

여기서 상부에 설치된 카메라를 통해 얻어진 용융풀의 영상 경계면을 확인하여 폭을 측정하였다. 레이저 다이오드의 라인 빔 (line beam)을 용탕에 투사한 상태에서 전면부에 설치된 카메라로 이미지를 촬영하고 영상 분석 알고리즘을 통하여 높이를 측정하였다. 이때 카메라에 밴드패스 필터를 설치하여 측정정밀도를 높였다.
5와 같이 용탕의 폭과 적층 높이 모니터링을 위해 2개의 카메라와 1개의 레이저 다이오드를 사용하였다. 여기서 상부에 설치된 카메라를 통해 얻어진 용융풀의 영상 경계면을 확인하여 폭을 측정하였다. 레이저 다이오드의 라인 빔 (line beam)을 용탕에 투사한 상태에서 전면부에 설치된 카메라로 이미지를 촬영하고 영상 분석 알고리즘을 통하여 높이를 측정하였다.

대상 데이터

Heralic 등의 연구논문¹⁸⁾에서는 실시간 피드백 제어를 통한 와이어송급 적층의 공정 안정성과 적층 품질 향상을 검증하였다. Fig. 5와 같이 용탕의 폭과 적층 높이 모니터링을 위해 2개의 카메라와 1개의 레이저 다이오드를 사용하였다. 여기서 상부에 설치된 카메라를 통해 얻어진 용융풀의 영상 경계면을 확인하여 폭을 측정하였다.

성능/효과

공정 조건에 따른 경도 차이는 10 % 이내임을 확인하였고 적층속도가 증가함에 따라 또는 레이저 에너지가 감소함에 따라 경도가 증가한다. 이는 냉각속도 증가로 인해 입자 크기가 감소하기 때문이다.
3에서와 같이 송급속도에 따른 적층속도에 관한 평가결과를 보면 분말송급의 재료효율은 30 % 이하인데 반해 와이어송급은 100 %이다. 그리고 표면조도를 비교했을 때 공정 조건에 따른 값의 변동이 있지만 대체적으로 분말송급의 경우 70~90 ㎛, 와이어송급의 경우 40~60 ㎛ 수준임을 확인했다. 분말송급 시 표면 조도가 상대적으로 높은 이유는 분말이 불완전 용융이나 알갱이 상태로 적층되면서 표면에 요철을 형성하기 때문이다.
특히, 항공우주, 에너지, 국방, 의료 등의 분야와 같이 다품종 소량생산 부품에 대한 수요가 높은 경우 금속 3D프린팅을 통하여 생산성을 높이고 비용을 절감할 수 있다. 또한 3D프린팅의 복잡한 형상 제조 능력을 통하여 고성능의 최적화된 디자인 구현이 가능하다.
그 이유는 와이어와 레이저빔의 상대위치 허용오차를 여유 있게 함으로써 와이어 용융을 안정적으로 유지하기 위함이다. 또한 공통적으로 적층간 냉각시간을 둬서 과열을 방지하고 적층을 보다 안정화하였다. 한편, 아크 열원에 비해 레이저의 고밀도 열원은 열 충격을 최소화하고 예열을 필요하지 않으며 초점 사이즈가 작아 정교한 와이어 용융 작업이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금속 3D프린팅을 통해 생산성을 높이고 비용을 절감할 수 있는 분야는?	초기 3D프린팅은 주로 녹는점이 낮은 플라스틱 소재를 이용한 쾌속조형 위주였지만 현 추세는 전통적인 제조공법으로 생산이 불가하거나 비효율적인 금속이나 기능성 소재 부품을 생산하는데 초점이 맞춰져 있다. 특히, 항공우주, 에너지, 국방, 의료 등의 분야와 같이 다품종 소량생산 부품에 대한 수요가 높은 경우 금속 3D프린팅을 통하여 생산성을 높이고 비용을 절감할 수 있다. 또한 3D프린팅의 복잡한 형상 제조 능력을 통하여 고성능의 최적화된 디자인 구현이 가능하다.
	3D프린팅은 무엇인가?	3D프린팅(printing)은 CAD 디자인 정보를 이용하여 소재를 적층하여 3차원 물체를 제조하는 적층제조 (additive manufacturing)공정을 의미하며 기존의 선삭, 밀링, 연삭가공 등을 바탕으로 하는 절삭가공에 대비되는 개념이다. 3D 프린터에서 이용되는 한층씩 (layer by layer) 쌓아올리는 형태의 제조방식은 전통 가공방식에 비해 형상학적 자유도와 시간과 소량 생산에서 생산비 절감효과를 제공한다.
	PBF 공법의 단점은?	PBF 공법의 경우, 모재 분말층위에 고 에너지의 레이저나 전자빔을 선택적으로 조사하여 용융 결합시키며 층층이 형상을 쌓아 올린다. 이 공법의 경우 형상 자유도와 부품정밀도가 높은 장점이 있지만 선택적 분말 소결 또는 용융 공정 특성상 적층 밀도가 낮고 용융 균일도 확보가 어려워 출력물의 강도와 재현반복성이 떨어지는 단점이 있다. DED 공법은 금속 분말 등 용가재료를 적층부에 송급하면서 동시에 레이저 등의 고에너지로 용융하여 적층하는 방식이며 PBF 공법에 비해 강도와 재현반복성이 향상되어 현재 연구가 활 발하게 이루어지는 3D프린팅 기술이다3-5).

참고문헌 (18)

J. J. Beaman and C. R. Deckard, Selective laser sintering with assisted powder handling, US patent no. 4938816, (1990)
D. L. Bourell, H. L. Marcus, J. W. Barlow, J. J. Beaman and C. R. Deckard, Multiple material systems for selective beam sintering, US patent no. 5076869, (1991)
J. Mazumder, J. Choi, K. Nagarathnam, J. Koch, D. Hetzner, The direct metal deposition of H13 tool steel for 3-D components, JOM, 49-5 (1997), 55-60

상세보기
C. Atwood, M. Griffith, L. Harwell, E. Schlienger, M. Ensz, J. Smugeresky, T. Romero, D. Greene and D. Reckaway, Laser engineered net shaping (LENSTM) : a tool for direct fabrication of metal parts, Proceedings of the ICALEO 1998, Orlando, FL, USA, 1998, 48-56
G. K. Lewis and E. Schlienger, Practical considerations and capabilities for laser assisted direct metal deposition, Materials & Design, 21-4 (2000), 417-4233

상세보기
E. Beyer, P. Herwig, S. Hunze, A-F. Lasagni, M. Lutke, A. Mahrle, S. Nowotny, J. Standfuss and S. Thieme, High Power Laser Materials Processing, Proceedings of the 31th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO), 2012, Paper No. OP2
S. Kaierle, A. Barroi, C. Noelke, J. Hermsdorf, L. Overmeyer and H. Haferkamp, Review on Laser Deposition Welding: From Micro to Macro. Physics Procedia, 39 (2012), 336-345

상세보기
Y.-N. Ahn and C. Kim, Comparison of powder feeding and wire feeding in laser cladding, Journal of KWJS, 31-4 (2013), 13-16 (in Korean)
E. Brandl, F. Palm, V. Michailov, B. Viehweger and C. Leyens, Mechanical properties of additive manufactured titanium (Ti-6Al-4V) blocks deposited by a solid-state laser and wire, Materials & Design, 32(1), 2011, 4665-4675

상세보기
E. Brandl, V. Michailov, B. Viehweger and C. Leyens, Deposition of Ti-6Al-4V using laser and wire, part I: Microstructural properties of single beads, Surface & Coatings Technology, 206 (16), 2012, 1120-1129
E. Brandl, A. Schoberth and C. Leyens, Morphology, microstructure, and hardness of titanium (Ti-6Al-4V) blocks deposited by wire-feed additive layer manufacturing (ALM), Materials Science and Engineering A, 532 (2012), 295-307

상세보기
W. U. H. Syed and L. Li, Effects of wire feeding direction and location in multiple layer diode laser direct metal deposition, Applied Surface Science, 248-1 (2005), 518-524

상세보기
W. U. H. Syed, A. J. Pinkerton and L. Li, A comparative study of wire feeding and powder feeding in direct diode laser deposition for rapid prototyping, Applied Surface Science, 247-1 (2005), 268-276

상세보기
S. H. Mok, G. Bi, J. Folkes, I. Pashby, Deposition of Ti-6Al-4V using a high power diode laser and wire, Part I: Investigation on the process characteristics, Surface & Coating Technology, 202-16 (2008), 3933-3939

상세보기
S. H. Mok, G. Bi, J. Folkes, I. Pashby, J. Segal, Deposition of Ti-6Al-4V using a high power diode laser and wire, Part II: Investigation on the mechanical properties, Surface & Coating Technology, 202-19 (2008), 4613-4619

상세보기
N. I. S. Hussein, J. Segal, D. G. McCartney, and I. R. Pashby, Microstructure formation in Waspaloy multilayer builds following direct metal deposition with laser and wire, Material Science and Engineering A, 497 (2008), 260-269

상세보기
B. Baufeld, E. Brandl, and O. Van der Biest, Wire based additive layer manufacturing: Comparison of microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V components fabricated by laser-beam deposition and shaped metal deposition, Journal of Materials Processing Technology, 211-6 (2011), 1146-1158

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A. Heralic, A.-K. Christansson, M. Ottosson, and B. Lennartson, Increased stability in laser metal wire deposition through feedback from optical measurements, Optics and Lasers in Engineering, 48-4 (2010), 478-485

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