[논문]금속 3D 프린팅 소재와 폴리머 레이저접합에 관한 연구

예강현; 김성욱; 박거동; 최해운

doi:10.5781/jwj.2016.34.4.23

금속 3D 프린팅 소재와 폴리머 레이저접합에 관한 연구
A Study on Laser Welding for 3D Printed Metal Plate and Polymer 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.34 no.4, 2016년, pp.23 - 27

예강현 (계명대학교 기계공학과) , 김성욱 (포항산업과학연구원) , 박거동 (이오테크닉스) , 최해운 (계명대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A 3D printed metal part and thermal plastic polymer part were joined by direct laser irradiation. The 3D metal part was fabricated by using DED(Direct Energy Deposition) with STS316 material. The experiment was carried out through no patterned metal surface, 3D metal printed surface and micro laser patterned surface. The most secure joining quality was obtained at the laser micro patterned surface specimen and the counterparts of polymers were PLA and PE based thermo plastics. The applied laser power was 350Watt and the distance of patterns was maintained at $150{\mu}m$. The laser line width was optimized at $450{\mu}m$ and the laser micro pattern depth was $180{\mu}m$ for the best joining quality. Based on the result analysis, the possibility of laser material joining for metal to polymer was proposed and multi-material joining will be possible in 3D laser direct material fabrication.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 금속 3D 프린팅 소재와 폴리머 소재의 레이저 접합 실험결과를 보고하였다. 특히, 표면의 요철정도에 따른 접합특성을 알아보았으며, 무패턴, 금속 3D 프린팅 소재 표면 그리고 마이크로 패턴에 대한 접합특성을 비교하였다.
금속 3D 프린터의 기술이 안정화 되고 폴리머 소재 3D 프린터가 활성화 되면서, 복합소재에 대한 산업계 대응도 가능하게 되었다. 본 논문은 복합소재를 이용한 제품 생산을 위한 기초연구로서, 금속 3D 프린팅 기술로 완성된 제품과 3D 폴리머 소재를 레이저로 이종 접합한 연구결과를 보고 한다.

제안 방법

특히, 200W의 경우 접합이 전혀 되지 않았으며, 300W의 경우 폴리머 소재가 약간 가열었지만 접합이 되지 않고 쉽게 분리되는 경향이 있었다. 350W이상의 고출력의 경우에서부터 일부 접합이 가능였으나, 금속 3D 프린트 소재를 통한 열방출이 많아서 신뢰도 높은 접합결과를 얻기가 어려웠으며, 가압력은 장비가 가할 수 있는 최대의 가압력을 주었고, Pass횟수는 출력에 따른 결과를 알아보기 위해 고정해 두어 실험을 진행하였다. (Fig.
금속 3D프린팅 된 이후의 요철만으로는 신뢰성 있는 접합결과를 얻기가 어려워서, 금속 3D프린팅 소재 표면에 고출력 펄스레이저를 사용하여서 패터닝을 하였으며, 접합은 350W 출력을 기준으로 더 높일 경우 열에 의한 변형이 있어 350W를 기준으로 두고 가압력과 Pass 횟수를 변수로 두었다. (Fig.
다만, 금속 3D 프린팅 후 적층 후 발생되는 파우더 특유의 미세패턴이 있어서 별도의 요철을 생성하지 않고 접합을 시도하였다. 이러한 요철 생성을 위해서 Fig.
두 번째 실험으로서 금속 3D프린팅 된 소재를 사용하여서 접합을 시도하였다. 금속 3D 프린팅 이후 자연스럽게 생성된 요철을 이용하여서 폴리머와의 접합을 진행하였으며, 결과가 Table 1에 정리되었다.
실험은 ①요철이 없는 금속소재, ②금속 3D 프린팅된 소재 그리고 ③마이크로 패터닝 된 소재를 사용하여 진행하였다. 레이저 패터닝을 만들지 않은 상태에서 금속 3D 프린트된 STS316L 소재의 요철을 이용하여 대상소재인 PE, PLA를 접합 해보았다. 실험은 금속 3D 프린트 소재를 하부에 두고 상부에 폴리머 소재를 둔후 금속 3D 프린트 소재 표면에 레이저를 조사하여 진행 하였으며,실험의 변수로는 레이저 출력, 지그 가압력, 레이저 Pass 횟수를 두고 진행을 하였다.
레이저 패터닝을 만들지 않은 상태에서 금속 3D 프린트된 STS316L 소재의 요철을 이용하여 대상소재인 PE, PLA를 접합 해보았다. 실험은 금속 3D 프린트 소재를 하부에 두고 상부에 폴리머 소재를 둔후 금속 3D 프린트 소재 표면에 레이저를 조사하여 진행 하였으며,실험의 변수로는 레이저 출력, 지그 가압력, 레이저 Pass 횟수를 두고 진행을 하였다.
본 논문에서는 금속 3D 프린팅 소재와 폴리머 소재의 레이저 접합 실험결과를 보고하였다. 특히, 표면의 요철정도에 따른 접합특성을 알아보았으며, 무패턴, 금속 3D 프린팅 소재 표면 그리고 마이크로 패턴에 대한 접합특성을 비교하였다. 실험의 결과 표면이 매끄러운 소재는 금속과 폴리머의 계면의 융착이 잘 이루어지지 않았으며, 신뢰도 높은 접합이 어려웠다.

대상 데이터

Fig. 1은 본 실험에 사용된 금속분말의 형상을 보여주고 있으며, TLS사의 316L 소재를 적용하였다. 분말의 형상은 구형이며, 입도는 70~156 ㎛의 분포를 가지고 있는 것으로 파악되었다.
또한, 실험에 사용된 폴리머 소재는 열가소성소재로서 Fig. 2 (b),(c) 예시된 바와 같이 내열성 및 내구성이 좋고 가공이 쉬운 장점으로 다양한 제품군에 활용이 되는 PE(폴리에틸렌) 소재와 FDM 방식의 3D프린트 소재로 사용되며 친환경 소재로 사용이 되는 PLA소재를 사용한다.
본 연구에서 사용된 금속 3D프린터 소재는 주로 보일러용 파이프, 해양구조물용으로 사용되는 소재인 STS316L 이며, 다양한 폴리머재료를 상대재료로 사용하여서 제작하였다.
실험은 ①요철이 없는 금속소재, ②금속 3D 프린팅된 소재 그리고 ③마이크로 패터닝 된 소재를 사용하여 진행하였다. 레이저 패터닝을 만들지 않은 상태에서 금속 3D 프린트된 STS316L 소재의 요철을 이용하여 대상소재인 PE, PLA를 접합 해보았다.

성능/효과

또한, 금속 3D 프린팅 표면의 경우에도 일부의 요철로 인하여 상대적인 접합신뢰도 우수성이 있었으나, 용융된 폴리머의 침습이 어려움이 발생되었다. 마지막으로, 표면에 레이저 마이크로 패턴을 적용한 결과 금속 표면에 앵커링이 되면서 소재가 효율적인 기계적 접합이 가능함을 볼 수있었다.
특히, 표면의 요철정도에 따른 접합특성을 알아보았으며, 무패턴, 금속 3D 프린팅 소재 표면 그리고 마이크로 패턴에 대한 접합특성을 비교하였다. 실험의 결과 표면이 매끄러운 소재는 금속과 폴리머의 계면의 융착이 잘 이루어지지 않았으며, 신뢰도 높은 접합이 어려웠다. 또한, 금속 3D 프린팅 표면의 경우에도 일부의 요철로 인하여 상대적인 접합신뢰도 우수성이 있었으나, 용융된 폴리머의 침습이 어려움이 발생되었다.

후속연구

연구의 결과 폴리머 융착성이 좋게 하기 위해서 마이크로 패턴을 금속 3D 프린팅 표면에 적용하면, 신뢰도 높은 이종재료 접합이 이루어 질 수 있을 것으로 기대가 된다. 향후, 금속 3D 프린팅 기술이 조금 더 발달하여 외부적인 레이저 패터닝이 필요 없이 프린팅 기술로써 일정 수준 이상의 앵커를 생성 할 수 있는 단계가 온다면 이종재료 접합이 조금 더 쉬울 것으로 판단된다.
연구의 결과 폴리머 융착성이 좋게 하기 위해서 마이크로 패턴을 금속 3D 프린팅 표면에 적용하면, 신뢰도 높은 이종재료 접합이 이루어 질 수 있을 것으로 기대가 된다. 향후, 금속 3D 프린팅 기술이 조금 더 발달하여 외부적인 레이저 패터닝이 필요 없이 프린팅 기술로써 일정 수준 이상의 앵커를 생성 할 수 있는 단계가 온다면 이종재료 접합이 조금 더 쉬울 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 프린터의 생산공정은 어떻게 변화되었는가?	3D 프린터가 널리 보급이 됨에 따라, 생산공정이 Top down 방식에서 Bottom Up방식으로 혁신적으로 바뀌게 되고, 3D CAD 설계 이후 단시간에 프로토타입 및 양산 시제품을 시현할 수 있게 됨으로 개발시간의 획기적인 단축을 이루게 되었다. 이러한 결과로 다양한 소비자의 요구를 반영할 수 있게 될 뿐만 아니라 다품종 소량생산의 요구에도 능동적으로 대처할 수 있게 되었다1,2).
	금속 3D 프린팅의 방식에는 무엇이 있는가?	금속 3D 프린팅은 크게 두 가지 방식으로 나뉘는데, 첫째는 PBF(Power Bed Fusion) 공법으로서 모재 분말층 상부에 레이저 또는 전자빔과 같은 고에너지를 조사하여 용융결합을 시켜 형상을 만드는 방식과 둘째로 DED(Direct Energy Deposition)공법 으로 금속 분말과 같은 재료를 송급하면서 레이저와 같은 고에너지를 조사하여 동시에 용융 적층하는 방식이다. 각각의 방식에 따라서 장단점이 있지만, DED공법이 현재로서는 PBF 공법보다 강성이 우수하고 대형부품적용에 유리한 점이 많아서 활발한 연구와 응용이 진행되고 있다3-6).
	3D 프린팅의 한계성 극복을 위해 어떤 연구가 진행되고 있는가?	이러한 한계성 극복을 위해서 금속소재에 대한 연구도 꾸준히 진행이 되어왔고, 일부의 경우 양산시험편 제작이나 제한된 분야에서 양산화가 진행이 되고 있다.

참고문헌 (5)

Lee J.E., Im Y. E., Park K., Finite Element Analysis of a Customized Eyeglass Frame Fabricated by 3D Printing, Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - A, 40(1) (2016), 65-71

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Ham W.S., Lee S.Y., Lee S.C., Kim J.D., Lee S.H, A Study of Metal 3D Printing Applied for Mould/Tooling Practices and Effects, KSMTE Spring meeting proceedings, (2014), 37-37
Kim W.S., Hong M.P., Kim Y.G., Suh C.H., Lee J.W., Lee S.H., Sung J.H., Effects and Application Cases of Injection Molds by using DED type Additive Manufacturing Process, J. of Welding and Joining, 32(4) (2014) 10-14 (in Korean)

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Kam D.H., Kim Y.M., Kim C.H., Recent Studies of Laser Metal 3D Deposition with Wire Feeding, J. of Welding and Joining, 34(1) (2016), 35-40 (in Korean)

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Lee S.J., KatayamaS., Kim J.D., Weldability of SUS304 and Ti Dissimilar Welds with Various Welding Speed using Single Mode Fiber Laser, Journal of KWJS. 31(5) (2013), 64-70 (in Korean)

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