[논문]기계 부품 재제조를 위한 DED 공정 조건에 따른 적층 및 잔류응력 특성 분석

김단아; 이광규; 안동규

doi:10.5228/kstp.2021.30.3.109

기계 부품 재제조를 위한 DED 공정 조건에 따른 적층 및 잔류응력 특성 분석
Investigation into the Effects of Process Parameters of DED Process on Deposition and Residual Stress Characteristics for Remanufacturing of Mechanical Parts 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.30 no.3, 2021년, pp.109 - 118

김단아 (조선대학교 기계공학과) , 이광규 (조선대학교 기계공학과) , 안동규 (조선대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, there has been an increased interest in the remanufacturing of mechanical parts using metal additive manufacturing processes in regards to resource recycling and carbon neutrality. DED (directed energy deposition) process can create desired metallic shapes on both even and uneven substrate via line-by-line deposition. Hence, DED process is very useful for the repair, retrofit and remanufacturing of mechanical parts with irregular damages. The objective of the current paper is to investigate the effects DED process parameters, including the effects of power and the scan speed of the laser, on deposition and residual stress characteristics for remanufacturing of mechanical parts using experiments and finite element analyses (FEAs). AISI 1045 is used as the substrate material and the feeding powder. The characteristic dimensions of the bead shape and the heat affected zone (HAZ) for different deposition conditions are obtained from the experimental results. Efficiencies of the heat flux model for different deposition conditions are estimated by the comparison of the results of FEAs with those of experiments in terms of the width and the depth of HAZ. In addition, the influence of the process parameters on residual stress distributions in the vicinity of the deposited region is investigated using the results of FEAs. Finally, a suitable deposition condition is predicted in regards to the bead formation and the residual stress.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Experimental set-up
그림 Fig. 3 FE model and boundary conditions for heat transfer and thermo-mechanical analyses
그림 Fig.2 Design of specimen and sequence of deposition
표 Table 1 Experimental conditions
그림 Fig. 4 Thermo-mechanical properties of AISI 1045[19]
그림 Fig. 5 Effects of the power on the formation of bead, diluted region and HAZ
그림 Fig. 6 Effects of the power and the scan speed on the width, the height and the aspect ratio of the bead
그림 Fig. 7 Effects of the power and the scan speed on the width and the depth of the HAZ
그림 Fig. 8 Effects of the efficiency of the heat flux on the error ratio of the width and the depth of HAZ
그림 Fig. 9 Effects of the efficiency of the heat flux on the error ratio of the HAZ width (P = 900 W)
그림 Fig. 10 Effects of the efficiency of the heat flux on the error ratio of the HAZ depth (P = 1,000 W)
그림 Fig. 11 1^st principal stress distribution in the specimen (P = 900 W and V = 2,000 mm/min)
표 Table 2 Estimated efficiencies of heat flux
그림 Fig. 12 Effects of the scan speed and the power on the 1^st principal stress distribution
그림 Fig. 13 Influence of the power and the scan speed on the maximum value of the 1^st principal stress

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 기계 부품 재제조를 위해 DED 공정을 이용한 적층 조건이 적층부 특징 형상과 잔류 응력 발생에 미치는 영향을 실험/해석적으로 고찰하였다. 적층 실험을 통하여 레이저 출력 (laser power : P) 및 이송 속도 (scan speed : V) 에 따른 적층 비드형상 및 열영향부 (Heat affected zone : HAZ) 변화를 분석하였다.

제안 방법

3.1 절에서 도출된 적층 비드 형상비가 0.15 이상인 공정 조건 조합들 중에서 열-기계 연계 해석 결과 잔류 응력이 가장 적게 예측된 레이저 출력과 이송 속도 조합을 적정 적층 조건 (suitable deposition condition) 으로 선정하였다. 3.
실험과 FEA 결과의 비교를 수행하여 각 적층 조건에 대한 열원 효율을 도출하였다. FEA 을 통하여 적층 조건에 따른 적층부 주위의 잔류응력 발생 특성 변화를 고찰하였다.
넷째, 적층 조건들에 대한 열-기계 연계 해석을 수행하여 적층 공정 변수 조합에 따른 적층부 주위 의 잔류 응력 분포 변화를 고찰하였다. 최대 잔류 응력이 발생하는 위치는 적층부 아래의 기저부임을 알 수 있었다.
둘째, 적층 헤드의 레이저 출력과 이송 속도에 따른 HAZ 형상 변화를 실험적으로 분석하였다. 실험에 사용된 적층 조건에서는 폭과 깊이가 각각 1,657-2,610 μm 및 311-648 μm 범위인 HAZ 가 기저 부내에 생성되는 것을 알 수 있었다.
적층 실험을 통하여 레이저 출력 (laser power : P) 및 이송 속도 (scan speed : V) 에 따른 적층 비드형상 및 열영향부 (Heat affected zone : HAZ) 변화를 분석하였다. 실험과 FEA 결과의 비교를 수행하여 각 적층 조건에 대한 열원 효율을 도출하였다. FEA 을 통하여 적층 조건에 따른 적층부 주위의 잔류응력 발생 특성 변화를 고찰하였다.
이 연구에서는 기계 부품 재제조를 위해 DED 공정을 이용한 적층 조건이 적층부 특징 형상과 잔류 응력 발생에 미치는 영향을 실험/해석적으로 고찰하였다. 적층 실험을 통하여 레이저 출력 (laser power : P) 및 이송 속도 (scan speed : V) 에 따른 적층 비드형상 및 열영향부 (Heat affected zone : HAZ) 변화를 분석하였다. 실험과 FEA 결과의 비교를 수행하여 각 적층 조건에 대한 열원 효율을 도출하였다.

대상 데이터

비정상 열전달 해석과 열-기계 연계 해석 모델은 입체 육면체 (solid hexahedral) 요소로 나타내었다. 6 개 적층 비드를 가지는 비정상 열전달 해석 모델에 사용된 유한 요소 및 절점수는 각각 121,344 개와 96,113개이다. 단일 적층 비드를 가지는 열-기계 연계 해석 모델에 사용된 사용된 유한 요소 및 절점수는 각각 20,224 개와 16,203 개이다.
6 개 적층 비드를 가지는 비정상 열전달 해석 모델에 사용된 유한 요소 및 절점수는 각각 121,344 개와 96,113개이다. 단일 적층 비드를 가지는 열-기계 연계 해석 모델에 사용된 사용된 유한 요소 및 절점수는 각각 20,224 개와 16,203 개이다.
1 은 단일 비드 적층 실험에서 사용된 적층 제조 장치와 적층 실험 셋업 (set-up) 이다. 맥스로텍 사의 DED 장비인 DABO MDG 300 을 이용하여 적층 실험을 수행하였다. 적층 실험에 사용된 기저부와 적층 분말의 재료는 기계 구조용 강인 AISI 1045 이다.
적층 실험에 적용된 분말 공급율 (F) 은 6 g/min 이다. 적층 공정 중 적층 부 인근의 산화 방지를 위해 불활성 가스인 아르곤 (Ar) 가스를 보호 가스로 사용하였다. 아르곤 가스의 공급율 (G) 은 12.
맥스로텍 사의 DED 장비인 DABO MDG 300 을 이용하여 적층 실험을 수행하였다. 적층 실험에 사용된 기저부와 적층 분말의 재료는 기계 구조용 강인 AISI 1045 이다. 적층 실험의 기저부의 크기는 90 × 50 × 30 mm3 이며, 50 mm 의 적층 비드가 기저부 위에 등간격으로 적 층 될 수 있도록 Fig.

이론/모형

레이저 열원 모델은 식 (1) 과 침투 깊이가 고려된 완만한 가우시안 (gaussian) 평면 에너지 밀도 분포를 가지는 3차원 체적 열원 (volumetric heat flux) 모델을 이용하였다. 식 (1) 은 식 (2) 의 제한조건에 서만 해석 모델에 적용될 수 있도록 하였다.
유한 요소 해석은 상용 소프트웨어인 SYSWELD V15.5 를 이용하여 수행하였다. Fig.

성능/효과

셋째, 실험 결과와 비정상 열전달 해석 결과를 HAZ 의 폭과 깊이 측면에서 비교하여, 각각의 오차율이 10 % 이하인 후보 적층 조건들을 산출하였다. 그 후, HAZ 폭과 깊이의 오차율 합이 최소화되는 적층 조건별 적정 열원 효율을 도출할 수 있었다.
다섯째, 적층 비드 형상비가 0.15 이상인 공정 조건 조합들 중에서 열-기계 연계 해석 결과 잔류 응력이 가장 적게 예측된 레이저 출력과 이송 속도 조합인 800 W 이고 800 mm/min 조건을 적정 적층 조건으로 선정할 수 있었다.
최대 잔류 응력이 발생하는 위치는 적층부 아래의 기저부임을 알 수 있었다. 레이저 출력이 증가하고, 이송 속도가 감소할수록 기저부내의 잔류 응력 발생 영역이 감소하는 것을 알 수 있었다. 해석에 적용된 적층조건들중에서 레이저 출력과 이송 속도가 각각 800 W 와 800 mm/min 일 때 적층부 주위에 가장 적은 잔류 응력이 발생하는 것을 알 수 있었다.
셋째, 실험 결과와 비정상 열전달 해석 결과를 HAZ 의 폭과 깊이 측면에서 비교하여, 각각의 오차율이 10 % 이하인 후보 적층 조건들을 산출하였다. 그 후, HAZ 폭과 깊이의 오차율 합이 최소화되는 적층 조건별 적정 열원 효율을 도출할 수 있었다.
실험에 사용된 적층 조건에서는 폭과 깊이가 각각 1,657-2,610 μm 및 311-648 μm 범위인 HAZ 가 기저 부내에 생성되는 것을 알 수 있었다.
이 연구에서 사용된 실험 조건에서 적층 비드 폭과 높이가 각각 1,197-1,994 m 및 115- 382 μm 범위인 대형 비드를 생성할 수 있음을 알 수 있었다
첫째, 단일 비드 적층 실험을 통하여 레이저 출력과 이송 속도에 따른 적층 비드 폭과 높이 변화를 고찰하였다. 이 연구에서 사용된 실험 조건에서 적층 비드 폭과 높이가 각각 1,197-1,994 m 및 115- 382 μm 범위인 대형 비드를 생성할 수 있음을 알 수 있었다.
넷째, 적층 조건들에 대한 열-기계 연계 해석을 수행하여 적층 공정 변수 조합에 따른 적층부 주위 의 잔류 응력 분포 변화를 고찰하였다. 최대 잔류 응력이 발생하는 위치는 적층부 아래의 기저부임을 알 수 있었다. 레이저 출력이 증가하고, 이송 속도가 감소할수록 기저부내의 잔류 응력 발생 영역이 감소하는 것을 알 수 있었다.
레이저 출력이 증가하고, 이송 속도가 감소할수록 기저부내의 잔류 응력 발생 영역이 감소하는 것을 알 수 있었다. 해석에 적용된 적층조건들중에서 레이저 출력과 이송 속도가 각각 800 W 와 800 mm/min 일 때 적층부 주위에 가장 적은 잔류 응력이 발생하는 것을 알 수 있었다.
이 연구에서 사용된 실험 조건에서 적층 비드 폭과 높이가 각각 1,197-1,994 m 및 115- 382 μm 범위인 대형 비드를 생성할 수 있음을 알 수 있었다. 형상비가 0.15 이상인 양호한 비드를 생성할 수 있는 레이저 출력과 이송 속도 조합을 도출할 수 있었다.

후속연구

추후 기공 및 균열 등 결함이 발생하지 않는 적층 조건을 도출하기 위하여 다열 및 다층 적층 실 험등 추가적인 적층 실험을 수행할 예정이다. 또한 추가적인 열-기계 연계 해석을 수행하여 적층 경로 에 따른 잔류 응력 발생 특성 변화와 잔류 응력이 적층부 결함 생성에 미치는 영향에 대한 연구를 하고자 한다.
추후 기공 및 균열 등 결함이 발생하지 않는 적층 조건을 도출하기 위하여 다열 및 다층 적층 실 험등 추가적인 적층 실험을 수행할 예정이다. 또한 추가적인 열-기계 연계 해석을 수행하여 적층 경로 에 따른 잔류 응력 발생 특성 변화와 잔류 응력이 적층부 결함 생성에 미치는 영향에 대한 연구를 하고자 한다.

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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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