[논문]스테인리스강을 사용한 분말 적층 용융 방식의 금속 3차원 프린터에서 제작된 물체의 최소 선폭 측정

손봉국; 정연홍; 조재흥

doi:10.5762/kais.2018.19.10.346

스테인리스강을 사용한 분말 적층 용융 방식의 금속 3차원 프린터에서 제작된 물체의 최소 선폭 측정
Measurement of minimum line width of an object fabricated by metal 3D printer using powder bed fusion type with stainless steal powder 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.10, 2018년, pp.346 - 351

손봉국 (한남대학교 공과대학 광.센서공학과) , 정연홍 (국제대학교 안경광학과) , 조재흥 (한남대학교 공과대학 광.센서공학과)

초록
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금속 3D 프린팅 기술은 레이저 빔의 초점에 금속분말을 주입하는 방식에 따라 대표적으로 PBF(Powder Bed Fusion)방식과 DED(Direct Energy Deposition)방식으로 나뉜다. DED 방식은 금속 분말 도포와 동시에 레이저를 조사하여 3차원 구조물을 제작하는 금속 3D 프린팅 기술이고, PBF 방식은 일정 높이로 3차원 그래픽을 슬라이싱 한 후 한 층씩 금속 분말을 적층하여 레이저를 이용해 3차원 구조물을 제조하는 방식이다. DED 방식을 사용하면 레이저 클래딩, 금속 용접 등에는 강점을 가지지만 3D 형상을 제작할 경우 밀도가 낮아지는 문제점이 발생한다. DED 방식에서의 구조체 밀도 문제를 해결하기 위해 PBF 방식을 도입하면 상대적으로 밀도가 높은 3차원 구조물을 제작하는데 용이하다. 본 논문에서는 갈바노 스캐너와 광섬유로 전송되는 Nd:YAG 레이저 빔을 이용한 약 $30{\mu}m$ 크기의 스테인리스 강 분말을 이용하는 PBF 방식의 3차원 프린터를 제작하고, 이를 이용하여 얇은 금속 구조물을 제작하였다. 또한 레이저의 조사 횟수, 출력, 초점 크기, 스캐닝 속도에 따른 선폭의 최적조건을 찾았으며, 그 결과 최적 조건은 레이저 조사 횟수 2회, 출력 30 W, 초점 크기 $28.7{\mu}m$, 스캐닝 속도 200 mm/s에서 최소 선폭은 약 $85.3{\mu}m$로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Metal three-dimensional (3D) printing technologies are mainly classified as powder bed fusion (PBF) and direct energy deposition (DED) methods according to the method of application of a laser beam to metallic powder. The DED method can be used to fabricate fine and hard 3D metallic structures by applying a strong laser beam to a thin layer of metallic powder. The PBF method involves slicing 3D graphics to be a certain height, laminating metal powders, and making a 3D structure using a laser. While the DED method has advantages such as laser cladding and metallic welding, it causes problems with low density when 3D shapes are created. The PBF method was introduced to address the structural density issues in the DED method and makes it easier to produce relatively dense 3D structures. In this paper, thin lines were produced by using PBF 3D printers with stainless-steel powder of roughly $30{\mu}m$ in diameter with a galvano scanner and fiber-transferred Nd:YAG laser beam. Experiments were carried out to find the optimal conditions for the width of a line depending on the processing times, laser power, spot size, and scan speed. The optimal conditions were two scanning processes in one line structure with a laser power of 30 W, spot size of $28.7{\mu}m$, and scan speed of 200 mm/s. With these conditions, a minimum width of about $85.3{\mu}m$ was obtained.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of metal 3D printer with powder bed fusion system
그림 Fig. 2. Photo of the metal 3D printer with powder bed fusion system
그림 Fig. 3. Microscopic photo of stainless steel powder (AM 316L cl E) with the diameter size of more than 32㎛
그림 Fig. 4. 3D structure model designed by using Solid Works
그림 Fig. 5. Photos of the meral cross lines accoding to the number of processing of 3D printer : (a) 1 time (b) 2 times (c) 3 times
그림 Fig. 6. A Photo of metal cross line at the instant of separation of lines with laser power of 19.7W
그림 Fig. 7. Photos of metalic cross lines as a funtion of various laser powers : (a) 30 W (b) 48.7 W (c) 70 W
표 Table 1. Laser sopt sizes according to the variation (focus) of focal length of the focusing lens and its degree of defocus
그림 Fig. 8. Graph of line width vs. san speed according to various laser focusing spot size (black square : 28.7 ㎛, red circle : 35. 2 ㎛, blue triangle : 92.6 ㎛)
그림 Fig. 9. Graph of line width vs. scan speed at the optimal condition of 2 times processing, laser output 30 W and spot size 28.7 ㎛

AI 본문요약
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문제 정의

06 ㎛의 Nd:YAG 레이저 빔을 갈바노 스캐너로 2차원 주사하면서 용융시킨 분말을 순차적으로 적층해가는 PBF 방식의 금속 3D 프린터를 제작하고, 이를 이용하여 얇은 벽(선)을 제작하고자 한다. 그리고 이 벽에 대한 선폭을 측정하고 분석함으로써 레이저 조사 횟수, 레이저 출력, 초점 크기, 스캐닝 속도 등에 대한 최적화된 실험적 조건을 찾고자 한다.
본 논문에서는 스테인리스강 분말을 적층한 후, 레이저 다이오드 펌핑한 파장 1.06 ㎛의 Nd:YAG 레이저 빔을 갈바노 스캐너로 2차원 주사하면서 용융시킨 분말을 순차적으로 적층해가는 PBF 방식의 금속 3D 프린터를 제작하고, 이를 이용하여 얇은 벽(선)을 제작하고자 한다. 그리고 이 벽에 대한 선폭을 측정하고 분석함으로써 레이저 조사 횟수, 레이저 출력, 초점 크기, 스캐닝 속도 등에 대한 최적화된 실험적 조건을 찾고자 한다.
본 실험에서는 레이저 초점거리 등을 포함한 여러 가지 실험변수들에 따른 3차원 구조물의 선폭을 측정하기 위하여 Fig. 4와 같은 한 맨 위쪽 면이 개방된 속이 빈 2 x 4 형태의 육면체를 높이가 각각 다르게 3 x 3의 9개 입방체를 설계하고 이를 PBF 방식의 금속 3D 프린터로 제작하고자 한다. 이 구조물의 높이는 각각 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9mm인데, 한번에 설계 및 제작된 서로 다른 높이의 구조물에서 9가지 실험 변수를 바꾸어 측정할 수가 있다.

제안 방법

1) 기계설계 프로그램인 Solid works를 이용하여 제작하고자 하는 3D 구조물을 설계한다.
2) 설계한 3차원 구조물을 metarialize사의 magics 프로그램에 연동하여 제작하고자 하는 구조물을 일정한 미소높이로 나눈다.
Fig. 1과 Fig. 2에서 제작한 스테인리스강 분말을 사용한 PBF 방식의 금속 3D 프린터로 제작한 Fig. 4의 3D 구조물의 벽두께, 즉 선폭에 영향을 미치는 변수로는 스테인리스강 분말과 레이저의 상호작용이 강하게 작용하는 벽을 만들기 위한 선의 가공 반복횟수, 레이저의 출력, 초점 크기, 스캔 속도를 집중적으로 살펴보았다. 선폭에 대한 측정은 십자 모양의 3차원 구조체를 배율 10배의 hyrox 현미경으로 위에서 촬영한 후, 촬영한 사진(흰 선으로 표시됨)의 십자선에서 등간격인 여덟 곳을 측정하였다.
에서 보듯이 스테인리스강 분말의 맨 위층에서 레이저의 초점 크기(spot size)는 갈바노 스캐너의 위치를 조정하여 변화시켰다. 갈바노 스캐너의 위치에 따른 초점 크기는 초점의 위치를 바꾸면서 스테인리스강 분말의 맨 위층이 놓인 부분까지의 디포커스(defocus)에 따라 변하는 초점의 크기를 레이저 빔의 가우스 광학을 이용하여 구하였다. Table 1에서 보듯이 초점 크기는 28.
두 번째 부분은 레이저 및 주사부로 적층부에 레이저 다이오드로 펌핑하는 파장 1.06 ㎛, 최대 출력 500 W인 Nd:YAG 레이저(Raycus Co., RFL-C500)와 이 레이저 빔을 전송하는 길이 10 m인 광섬유, 그리고 이 광섬유에서 나오는 레이저 빔을 금속 분말의 적층부에 집속하여 2차원으로 주사하는 갈바노 스캐너(galvano scanner) (scanlab, hurrySCAN ii 14) 및 F-θ lens로 구성된다.
레이저의 출력을 최대 70 W부터 시작하여 점차 줄여가며 두 번 가공했을 때의 선을 확인하였는데, Fig. 6에서 보듯이 19.7 W일 때부터 선이 제대로 형성되지 않고 끊어지는 현상(Fig. 6의 적색 직사각형 안의 선)을 확인하였다.
본 논문에서는 스테인리스강 분말을 적층한 후, 레이저 다이오드를 펌핑한 파장 1.06 ㎛의 Nd:YAG 레이저 빔을 갈바노 스캐너로 2차원 주사하면서 용융하여 이 분말을 순차적으로 적층해가는 PBF 방식의 금속 3D 프린터를 제작하고, 이를 이용하여 얇은 벽(선)을 제작하였다. 선폭이 가장 작게 나오는 조건은 스테인리스강 분말을 녹이는 레이저 조명을 한 층마다 2회 반복하였을 때, 그리고 이 경우 레이저 출력은 30 W로, 초점 크기는 28.
4의 3D 구조물의 벽두께, 즉 선폭에 영향을 미치는 변수로는 스테인리스강 분말과 레이저의 상호작용이 강하게 작용하는 벽을 만들기 위한 선의 가공 반복횟수, 레이저의 출력, 초점 크기, 스캔 속도를 집중적으로 살펴보았다. 선폭에 대한 측정은 십자 모양의 3차원 구조체를 배율 10배의 hyrox 현미경으로 위에서 촬영한 후, 촬영한 사진(흰 선으로 표시됨)의 십자선에서 등간격인 여덟 곳을 측정하였다. 측정시 위성분말을 모두 포함하는 전체 폭을 측정하였으며, 최소 선폭일 때의 표준편차는 6.
287 ㎛이다. 선폭에 대한 측정은 십자 모양의 3차원 구조체를 위에서 배율 10배의 hyrox 현미경으로 촬영한 후, 촬영한 사진을 등간격으로 나누어 여덟 곳을 측정하였다. 측정시 위성분말을 모두 포함하는 전체 폭을 측정하였으며, 최소 선폭일 때의 표준편차는 6.
5 (c)에서 선을 3세 번 가공하였을 경우, 두 번 가공했을 때 보다 선이 굵어지는 것을 확인하였다. 이러한 결과에 따라 선이 제대로 형성되는 최적의 가공 횟수는 두 번으로 선정하였으며, 앞으로의 스테인리스강 분말을 사용하는 선 가공에서 변수변화에서 모든 가공횟수는 두 번 가공하는 것으로 하였다.

대상 데이터

7은 레이저 출력이 각각 (a) 30 W, (b) 48.7 W, (c) 70 W일 때 제작된 벽의 선폭을 비교한 결과로 출력이 높아질수록 선폭이 굵어지기 때문에 레이저 출력에 대한 최소 한계점을 19.7 W로 선정하고 실험을 통하여 정한 최적 출력을 30 W로 선정하였다.

성능/효과

레이저 출력이 30 W보다 작을 경우는 가공된 선에서 끊어지는 부분을 다수 발견할 수 있다. 30 W 일 때에도 선이 끊어지는 부분을 간혹 발견하였는데, 이를 보완하기 위하여 선의 같은 부분을 1, 2, 3번 가공 후 비교 결과 2번이 가장 안정적인 선의 형태를 보이고 선폭도 얇게 나오는 것을 확인하였다.
8에 그래프로 정리하였다. 이 결과 레이저 빔의 초점 크기가 작을수록 선폭이 작아지는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 프린팅 기술의 수요가 증가하는 이유는?	3D 프린팅 기술은 복잡한 3차원 형상 제작에 용이하고 다품종 소량생산 환경에 적합하여 산업분야에서 수요가 지속적으로 증가하고 있다[1-2]. 금속 분말을 이용한 3차원 형상 적층 공정 방식에는 대표적으로 DED (directenergy deposition), PBF (powder bed fusion) 방식이 개발되어 있다[2-8].
	DED 방식이란?	금속 분말을 이용한 3차원 형상 적층 공정 방식에는 대표적으로 DED (directenergy deposition), PBF (powder bed fusion) 방식이 개발되어 있다[2-8]. DED 방식은 고분자, 세라믹, 금속 매트릭스 복합재료 등에 주로 사용되는 방식으로 분말을 도포함과 동시에 레이저를 갈바노미터나 폴리곤 미러로 스캐닝하면서 용융시키는 방법으로 구조 및 제작 조건이 쉽지 않다[3,8]. 이에 반하여 PBF 방식은 평평한 바닥에 금속 분말을 한 층씩 적층한 후 레이저로 녹여서 구조물을 제작하는 방법으로 DED 방식보다는 제작과 조작이 상대적으로 간편하다[4,8].
	PBF 방식과 DED 방식에서 선폭을 얇게하는 것의 효과는?	PBF 방식에서 선폭이 굵은 경우 구조물의 중간에 기공이 발생하여 밀도가 낮아지게 된다[9-10]. 앞의 2가지 방식 모두 선폭을 최소화 시키면 즉, 3차원 구조물의 밀도를 높이게 되면 보다 정밀한 가공을 수행할 수 있으며, 의료분야에서 인공관절, 두개골, 임플란트 등 고밀도를 필요로 하는 구조물을 생산하는데 유용하게 사용할 수 있다[1,9,10]. 본 논문에서는 스테인리스강 분말을 적층한 후, 레이저 다이오드 펌핑한 파장 1.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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