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문제 정의
- 본 연구에서는 PBF 기반의 금속 3D 프린팅 공정을 이용하여 H13 공구강 조형체를 제작하기 위한 최적의 조형 조건을 확립하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 금속3D 프린팅 공정에 적용 가능한 상용의 H13 공구강 분말의 기초 특성을 분석하였으며, 구형의 형상으로 10~50 µm의 입도 분포를 가지며 밀도는 약 7.
- 또한, 금속 3D 프린팅 공정으로 제조된 H13 공구강 조형체의 미세조직에 존재하는 기공, 균열 및 meltpool 등은 금속 광학현미경(OM, ECLIPSE MA 200, Nikon)과 SEM을 이용하여 확인하였다. 본 연구에서는 다양한 laser scan speed에 따라 제조된 조형체의 미세구조 및 경도를 분석하여 우수한 기계적 특성을 가지는 최적의 조형 조건을 확립하기 위한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- )를 나타내었다. Laser power, layer thickness, overlap 등의 공정 변수들은 고정하고, laser scan speeds만 100~1,600 mm/sec로 다양하게 변화시켜 조형체를 제조하였다. 그림을 살펴보면, laser scan speed가 느려질수록 적층면(XY면)이 수축되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 금속 분말에 높은 laser energy density가 인가되어 열수축이 발생했다고 판단된다.
- 68 sec/50 g으로 우수한 값을확인하였다. PBF 기반의 금속 3D 프린팅 공정을 이용하여 laser power, layer thickness, overlap 등의 공정변수는 고정하고 laser scan speed만 100~1,600 mm/sec로 다양하게 변화시켜 H13 공구강 조형체를 제조하였다. 이때 200 mm/sec의 조형 조건으로 제조된 조형체의 밀도가 7.
- PBF 기반의 금속 3D 프린팅 공정은 금속 분말 공급부의 분말이 적층 조형부에 장착되어 있는 금속 기판 표면에 일정하고 균일한 두께로 도포되면, 금속 분말에 Nd:YAG fiber laser가 인가되고 금속 분말은 순간적으로 용융과 급랭 과정이 연속적으로 일어나게 되며, 상기 공정이 반복되어 조형체가 제조된다. 금속 3D 프린팅 공정으로 조형체를 제조하기 위해서는 다양한 공정 변수가 존재하지만, 본 연구에서는 주요 공정변수로 laser power, layer thickness, overlap, laser scan speed 등을 고려하였다. 조형에 사용되는 H13 공구강 분말의 입도 분포 및 물성을 평가하여 laser power(90 W), layer thickness(25 µm), overlap(30%)은 고정하였으며 laser scan speed를 100~1,600 mm/sec로 다양하게 변화시키며 H13 공구강 조형체를 제조하였으며, 표 1에 조형 조건을 정리하였다.
- 금속 분말의 입도 분포는 입도분석기(PSA, LS13 320, BECKMAN COULTER)를 이용하여 확인하였다. 금속 분말의 유동성은 2.54 mm의 직경을 가지는 hall flowmeter를 이용하여 50 g의 금속 분말이 hall을 완전히 통과하는데 걸리는 시간을 측정하고, 겉보기 밀도(Apparent density)와 충진 밀도(Tap density)를 측정하여 hausner ratio(Tap density/Apparent density)를 계산하여 평가하였다. 금속 분말의 형상과 단면의 미세조직은주사전자현미경(SEM, JSM-5800, JEOL)을 이용하여 관찰하였다.
- 분석 결과는 표 2에서 확인할 수 있다. 금속 분말의 입도 분포는 입도분석기(PSA, LS13 320, BECKMAN COULTER)를 이용하여 확인하였다. 금속 분말의 유동성은 2.
- 54 mm의 직경을 가지는 hall flowmeter를 이용하여 50 g의 금속 분말이 hall을 완전히 통과하는데 걸리는 시간을 측정하고, 겉보기 밀도(Apparent density)와 충진 밀도(Tap density)를 측정하여 hausner ratio(Tap density/Apparent density)를 계산하여 평가하였다. 금속 분말의 형상과 단면의 미세조직은주사전자현미경(SEM, JSM-5800, JEOL)을 이용하여 관찰하였다. 또한, 금속 3D 프린팅 공정으로 제조된 H13 공구강 조형체의 미세조직에 존재하는 기공, 균열 및 meltpool 등은 금속 광학현미경(OM, ECLIPSE MA 200, Nikon)과 SEM을 이용하여 확인하였다.
- 이렇게 제조된 H13 공구강 조형체의 밀도, 미세조직 및 경도를 분석하였다. 또한 상용의 H13 공구강 분말의 기초 특성 평가를 통해 금속 3D 프린팅 공정에 적용 가능한 금속 분말의 특성을 확인하였다. 이런 결과는 향후 금속 3D 프린팅용 금속 분말의 제조에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이런 결과를 보인 이유는 laser scan speed가 느려지면 금속 분말의 용융 후 냉각 속도가 빨라지게 되며 용융 시 발생하는 fume이 미처 빠져나가지 못하고 melt pool 내에 잔류하여 기공을 형성하였다고 판단되며, 추가적인 분석을 통해 원인을 규명할 필요가 있다. 또한, Fe계 합금에 주로 사용되는 나이탈 용액(에탄올 97% + 질산 3%)을 사용하여 에칭을 실시하였으며[16], OM을 통해 melt pool을 관찰할 수 있었다. 그림 5(b)에서 확인할 수 있듯이, laser scan speed가 빨라질수록 melt pool의 폭과 길이가 일정하지 않음을 확인할 수 있었으며, 가장 빠른 1,600 mm/sec의 조형 조건으로 제조된 조형체에서는 melt pool을 관찰하기 힘들었다.
- 금속 분말의 형상과 단면의 미세조직은주사전자현미경(SEM, JSM-5800, JEOL)을 이용하여 관찰하였다. 또한, 금속 3D 프린팅 공정으로 제조된 H13 공구강 조형체의 미세조직에 존재하는 기공, 균열 및 meltpool 등은 금속 광학현미경(OM, ECLIPSE MA 200, Nikon)과 SEM을 이용하여 확인하였다. 본 연구에서는 다양한 laser scan speed에 따라 제조된 조형체의 미세구조 및 경도를 분석하여 우수한 기계적 특성을 가지는 최적의 조형 조건을 확립하기 위한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에 사용되는 상용의 H13 공구강 분말 조성은 유도결합플라즈마분광기(ICP-OES, Optima 8300, Perkin Elmer)를 이용하여 분석하였고, Sandvik에서 제공하는 data sheet의 조성 범위에 포함되는 것을 확인하였다. 분석 결과는 표 2에서 확인할 수 있다.
- 본 연구에서는 PBF 기반의 금속 3D 프린팅 공정에 적용 가능한 상용의 H13 공구강 분말의 기초 특성을 분석하였으며 laser power, layer thickness, overlap 등의 공정 변수들은 고정한 후 laser scan speed만을 다양하게 변화시키며 조형체를 제조하였다. 이렇게 제조된 H13 공구강 조형체의 밀도, 미세조직 및 경도를 분석하였다.
- 본 연구에서는 PBF 기반의 금속 3D 프린팅 장비로 Mlab(Mlab Cusing-R, Concept Laser, Germany)을 이용하여 H13 공구강 조형체를 제조하였다. Mlab은 열원으로 Nd:YAG fiber laser(파장: 1064 nm)를 이용하는 금속 3D프린팅 장비이며 금속 분말 공급부, 적층 조형부, 그리고 분말 회수부로 구성되며, 그림 1에 Mlab 장비 사진 및 모식도를 나타내었다.
- 이때, PBF 기반의 금속 3D 프린팅 공정에 사용되는 금속 분말은 우수한 유동성이 요구되며, 이를 고려하여 금속 3D 프린팅 공정에 적합한 상용의 H13 공구강 분말(Sandvik, 10~45 µm)을 사용하여 조형체를 제조하였다.
- 본 연구에서는 PBF 기반의 금속 3D 프린팅 공정에 적용 가능한 상용의 H13 공구강 분말의 기초 특성을 분석하였으며 laser power, layer thickness, overlap 등의 공정 변수들은 고정한 후 laser scan speed만을 다양하게 변화시키며 조형체를 제조하였다. 이렇게 제조된 H13 공구강 조형체의 밀도, 미세조직 및 경도를 분석하였다. 또한 상용의 H13 공구강 분말의 기초 특성 평가를 통해 금속 3D 프린팅 공정에 적용 가능한 금속 분말의 특성을 확인하였다.
- 조형에 사용되는 H13 공구강 분말의 입도 분포 및 물성을 평가하여 laser power(90 W), layer thickness(25 µm), overlap(30%)은 고정하였으며 laser scan speed를 100~1,600 mm/sec로 다양하게 변화시키며 H13 공구강 조형체를 제조하였으며, 표 1에 조형 조건을 정리하였다.
데이터처리
- 조형체의 경도는 로크웰 경도기를 사용하여 측정하였으며 laser scan speed가 증가함에 따라 경도가 낮아지는 경향을 보였다. 각각의 시편에 대해 임의로 5곳을 선택하여 경도를 측정하여 평균값을 얻었다. 그림에서 알 수 있듯이, I 구역에서는 조형체의 경도 값이 큰 차이를 보이지 않았지만, II 구역에서는 경도 값이 급격하게 낮아지는 것을 알 수 있다.
성능/효과
- 그러므로 앞선 그림 2의 SEM 분석과 그림 3의 입도분석 결과를 바탕으로 금속 분말은 구형의 형상으로 10~50 µm의 입도 분포로 우수한 유동성을 가지면 금속 3D프린팅 공정에 적용하여 조형체 제조에 사용할 수 있다.
- 54 mm의 hall flowmeter를 완전히 흐르는데 약 16초의 시간이 소요되어 실제로 유동성이 우수하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 hausner ratio와 hall flowmer를 통해 유동성을 평가한 결과 상용의 H13 공구강 분말은 금속 3D 프린팅 공정에 적용 가능함을 확인하였다.
- 하지만 200 mm/sec의 조형 조건으로 제조된 조형체에서는 일정한 폭을 가지는 melt pool을 관찰할 수 있었으며 기공도 거의 관찰되지 않았으며, 그림5(b)에서 확인할 수 있다. 따라서 에칭 전과 후의 조직을 관찰한 결과를 바탕으로 200 mm/sec의 조형 조건에서 가장 적은 기공 분포를 보였으며 이때 melt pool이 균일한 폭으로 잘 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.
- 분말의 단면조직을 관찰한 결과 내부에 기공이 없이 치밀한 구조를 형성하고 있었을 확인하였다. 또한 금속 3D 프린팅 공정에 적용하기 위한 금속 분말의 가장 중요한 특성인 유동성은 hausner ratio와 hall flowmeter로 평가하였으며, 각각 1.25와 약 16.68 sec/50 g으로 우수한 값을확인하였다. PBF 기반의 금속 3D 프린팅 공정을 이용하여 laser power, layer thickness, overlap 등의 공정변수는 고정하고 laser scan speed만 100~1,600 mm/sec로 다양하게 변화시켜 H13 공구강 조형체를 제조하였다.
- 또한 금속 3D 프린팅으로 제조된 조형체의 미세조직을 관찰한 결과 기공이 거의 없는 치밀하고 미세한 조직을 이루고 있었으며, PBF 기반의 금속3D 프린팅 공정으로 H13 공구강 조형체를 제조하기 위한 최적의 공정 조건은 90 W(Laser power), 25 µm(Layer thickness), 30%(Overlap) 그리고 200 mm/sec(Laser scan speed)임을 확인하였다.
- 또한, laser scan speed가 가장 느린 100 mm/sec로 조형한 시편에서 치밀한 조직을 형성하여 높은 밀도를 얻을수 있을 것으로 예상하였지만, 200 mm/sec로 조형한 시편보다 상대적으로 많은 기공들을 관찰할 수 있었다. 이때 100 mm/sec로 조형한 시편과 200 mm/sec로 조형한 시편의 밀도는 각각 7.
- 25로 hausner ratio 기준값에 존재함을 확인하였다. 또한, 상용의 H13 공구강 분말 50 g이 직경 2.54 mm의 hall flowmeter를 완전히 흐르는데 약 16초의 시간이 소요되어 실제로 유동성이 우수하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 hausner ratio와 hall flowmer를 통해 유동성을 평가한 결과 상용의 H13 공구강 분말은 금속 3D 프린팅 공정에 적용 가능함을 확인하였다.
- 25 사이에 존재하면 유동성이 우수하다고 판단한다[8, 14, 15]. 본 연구에 사용되는 상용의 H13 공구강 분말은 hausner ratio값으로 유동성을 평가하였으며 그 값이 1.25로 hausner ratio 기준값에 존재함을 확인하였다. 또한, 상용의 H13 공구강 분말 50 g이 직경 2.
- 이를 위해 금속3D 프린팅 공정에 적용 가능한 상용의 H13 공구강 분말의 기초 특성을 분석하였으며, 구형의 형상으로 10~50 µm의 입도 분포를 가지며 밀도는 약 7.68 g/cm3임을 확인하였다.
- 그림 7에는 laser scan speed를 다양하게 변화시키며 금속 3D 프린팅 공정으로 제조된 H13 공구강 조형체의 경도를 나타내었다. 조형체의 경도는 로크웰 경도기를 사용하여 측정하였으며 laser scan speed가 증가함에 따라 경도가 낮아지는 경향을 보였다. 각각의 시편에 대해 임의로 5곳을 선택하여 경도를 측정하여 평균값을 얻었다.
후속연구
- 금속 3D 프린팅 공정에 사용되는 금속 분말은 일반적으로 gas atomizing 공정으로 제조되고 있으며, 유동성, 충진밀도, 표면 산화도와 내부기공 등의 기초적인 특성이 확보되어야 하며[7-9], 이를 바탕으로 금속 3D 프린팅 공정으로 제조된 조형체의 기계적인 특성을 향상시킬 수 있는 연구가 수행되어야 한다.
- 또한 상용의 H13 공구강 분말의 기초 특성 평가를 통해 금속 3D 프린팅 공정에 적용 가능한 금속 분말의 특성을 확인하였다. 이런 결과는 향후 금속 3D 프린팅용 금속 분말의 제조에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 64 g/cm3를 보였으며 200 mm/sec으로 제조한 조형체의 밀도가 높았다. 이런 결과를 보인 이유는 laser scan speed가 느려지면 금속 분말의 용융 후 냉각 속도가 빨라지게 되며 용융 시 발생하는 fume이 미처 빠져나가지 못하고 melt pool 내에 잔류하여 기공을 형성하였다고 판단되며, 추가적인 분석을 통해 원인을 규명할 필요가 있다. 또한, Fe계 합금에 주로 사용되는 나이탈 용액(에탄올 97% + 질산 3%)을 사용하여 에칭을 실시하였으며[16], OM을 통해 melt pool을 관찰할 수 있었다.
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