[논문]금속 분말의 레이저 적층 시 표면 및 단면 특성에 관한 연구

황준호; 신성선; 정구인; 김성욱; 김현덕

doi:10.5781/jwj.2016.34.4.17

금속 분말의 레이저 적층 시 표면 및 단면 특성에 관한 연구
A Study on the Characteristics of Laser Deposition Surface and Cross-section for Metal Powder 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.34 no.4, 2016년, pp.17 - 22

황준호 (경북대학교 첨단정보통신융합산업기술원) , 신성선 (경북대학교 첨단정보통신융합산업기술원) , 정구인 (경북대학교 첨단정보통신융합산업기술원) , 김성욱 (포항산업과학연구원 소재이용연구그룹) , 김현덕 (경북대학교 첨단정보통신융합산업기술원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we compared the physical and chemical properties evaluation for each size in the SUS316L metal powder produced by water atomization and gas atomization. and we analyzed the experimental data in order to find the basis of a suitable metal powder (SUS316L) for DED (Direct Energy Deposition) processing. Also it evaluated the properties of each layered surface and cross section according to the number of deposition and deposition speed. In the result of optical microscopy measurements, the metal powder by water atomization was the crack generated between the deposition layer, the deposition layer was poor quality. However, metal powder by gas atomization was obtained a relatively good deposition results than metal powder by water atomization.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 RTP (Rapid Thermal Process) 장비의 히터 블럭 소재인 철계 합금 금속분말(SUS316L)을 바탕으로 DED 공정에 적합한 분말소재 기준을 도출하고자 한다.

제안 방법

수분사 및 가스분사로 제조된 금속분말에 대하여 직접용착 적층 장치 (DED)를 이용하여 적층 실험을 하였으며, 모재와의 적층에 영향을 미치는 입자 사이즈(입도분포) 및 공정 변수를 변화하여 평가한 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
주된 공정변수로는 적층 속도 (3 g, 6 g, 9 g, 12 g, 15 g/min)와 적층 횟수 (1회, 3회, 5회)로 한정하였다. 실험 장치는 Fig.

대상 데이터

본 실험에서는 수분사 및 가스분사로 제조된 금속분말(SUS316L)을 사이즈 (45 ~ 150 ㎛, 75 ~ 150 ㎛, 60 ~100 ㎛) 별로 사용하였다. SUS316 L은 극저탄소강으로 고온강도 및 용접한 상태에서 내입계내식성이 우수하기 때문에 공정변수에 따른 적층 표면 및 단면 특성을 알아보기 위해 사용하였다.
본 실험에서는 수분사 및 가스분사로 제조된 금속분말(SUS316L)을 사이즈 (45 ~ 150 ㎛, 75 ~ 150 ㎛, 60 ~100 ㎛) 별로 사용하였다. SUS316 L은 극저탄소강으로 고온강도 및 용접한 상태에서 내입계내식성이 우수하기 때문에 공정변수에 따른 적층 표면 및 단면 특성을 알아보기 위해 사용하였다.

성능/효과

1) 입자가 매우 작고 고운 미분인 경우는 유동도가 매우 낮기에 DED 장비의 노즐을 막거나 분말공급장치로부터 분말공급량을 정밀하게 조절하기 어려운 단점이 있기에 적합하지 않았다.
2) 일반적으로 DED 공정은 PBF 공정과 달리 매우 저렴한 수분사 등 일반 산업용 분말도 충분히 사용 가능할 것으로 예상되었으나, 적층 실험 결과 내부 기공 등 품질이 좋지 못하며, 또한 불규칙하고 각형의 입자형상으로 인하여 분말공급 제어가 원활하지 못하고 적층률이 우수하지 못하였다.
3) DED 공정에 적합한 철계 금속분말 SUS316L은 가스분사 방식으로 제조된 45~150㎛의 입도 분포가 넓은 일반 산업용 분말을 사용하는 것이 공정 시 적층 품질이 좋은 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DED 공정의 장점은?	DED 공정은 금속 분말 등 재료를 적층부에 송급하면서 동시에 레이저 등의 고에너지로 용융하여 적층하는 방식이며, PBF 공정에 비해 강도와 재현 반복성이 향상되어 현재 연구가 활발하게 이루어지는 3D프린팅 기술이다3-4). DED 공정은 생산성이 높고 대형부품 적용에 유리하여 현재 고가의 부품에 대한 수리, 재생, 보강을 비롯하여 다품종 소량생산 부품제조 등의 분야에 활용되고 있다. 특히 최근엔 항공, 우주, 에너지 분야의 복잡한 형상의 고기능성 합금 부품 제작을 위한 연구개발이 시도되고 있다5).
	적층가공기술이란?	최근 3D 프린팅 기술이라 널리 알려진 적층가공기술(Additive Manufacturing Technology)이 전례 없는 주목을 받고 있다. 이 기술은 재료를 자르거나 깎는 방식의 전통적인 생산방식인 선삭, 밀링, 절삭가공 (Subtractive Manufacturing)과 달리 디지털 설계도면을 바탕으로 폴리머, 세라믹 또는 금속 재료의 연속된 층을 적층시킨 후, 경화과정을 통하여 3차원 제품을 생산하는 기술이다. 본 기술은 생산성을 높이고 비용을 절감할 수 있으며, 복잡한 형상 제조 능력을 바탕으로 고성능의 최적화된 디자인 구현이 가능하다1-2).
	PBF 공정의 장단점은?	PBF 공정의 경우, 모재 분말층 위에 고에너지의 레이저나 전자빔을 선택적으로 조사하여 용융결합시키며 층층이 형상을 쌓아 올린다. 이 공법의 경우 형상 자유도와 부품정밀도가 높은 장점이 있지만, 선택적 분말 소결 특성상 적층 밀도가 낮고, 용융 균일도 확보가 어려워 출력물의 강도와 재현 반복성이 떨어지는 단점이 있다. DED 공정은 금속 분말 등 재료를 적층부에 송급하면서 동시에 레이저 등의 고에너지로 용융하여 적층하는 방식이며, PBF 공정에 비해 강도와 재현 반복성이 향상되어 현재 연구가 활발하게 이루어지는 3D프린팅 기술이다3-4).

참고문헌 (5)

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)
D. D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach and R. Poprawe, Laser additive manufacturing of metallics components, materials, processes and mechanisms, International Materials Reviews, 57(3) (2012), 133-160

상세보기
RC. 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. $Standfu\ss$ and S. Thieme, High Power Laser Materials Processing, Proceedings of the 31th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO), (2012), Paper No. OP2ihapabilities for laser assisted direct metal deposition, Materials & Design, 21(4) (2000), 417-4233

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