초록 ▼

□ 연구개요
금속 3D 프린팅 기술은 다양한 산업분야에서 차세대 혁신 제조 기술로 각광받고 있다. 하지만 국소 레이저 가열에 따른 불균일한 온도구배 생성과 부적절한 열적 조건으로 인해 이방성 결정립이 생성되고 물성이 저하되는 문제가 있다. 따라서 금속 3D 프린팅 기술은 일부를 제외한 대다수 합금 소재에 성공적으로 활용되지 못하는 실정이다. 본 과제에서는 레이저와 보조열원을 이용한 다양한 열적 제어를 통해 금속 적층물의 미세구조를 최적화하기 위한 기술을 개발했다.
(1) 열적 조건에 따른 결함 생성 및 미세구조 변화 양

□ 연구개요
금속 3D 프린팅 기술은 다양한 산업분야에서 차세대 혁신 제조 기술로 각광받고 있다. 하지만 국소 레이저 가열에 따른 불균일한 온도구배 생성과 부적절한 열적 조건으로 인해 이방성 결정립이 생성되고 물성이 저하되는 문제가 있다. 따라서 금속 3D 프린팅 기술은 일부를 제외한 대다수 합금 소재에 성공적으로 활용되지 못하는 실정이다. 본 과제에서는 레이저와 보조열원을 이용한 다양한 열적 제어를 통해 금속 적층물의 미세구조를 최적화하기 위한 기술을 개발했다.
(1) 열적 조건에 따른 결함 생성 및 미세구조 변화 양상을 규명하고 열적 제어 기술(최적 공정 조건)을 개발했다.
(2) 고온 국소 예열(적외선 국소 가열)을 이용한 신개념 결정립 성장 제어 기술을 개발하고 그 가능성을 규명했다.
(3) 적외선 온도 측정과 열해석을 통한 실시간 온도 모니터링 기술을 확립하고 레이저 빔 진동/재가열을 통한 미세구조 제어 기술을 개발하고자 했다.

□ 연구 목표대비 연구결과
< 적층 제조 공정에서 열적 조건이 미세조직(결함, 결정립)에 미치는 영향 규명 >
실험 및 수치해석을 통해 다양한 공정 변수(레이저 출력, 스캔 속도, 분말 층 두께 등)를 변화시키면서 열적 조건이 결함 발생, 미세조직 생성에 미치는 영향을 분석하여 일반화된 무차원 공정변수와 최적의 열적 조건을 도출했으며 기계적 물성과의 상관관계도 규명했다. 또한 기존 데이터가 없는 두께 200 micron 이하의 초박판 티타늄 합금의 기계적 물성을 측정하고 미세조직 및 결함과의 상관관계를 규명하였다.

< 적외선 국소 가열을 이용한 신개념 결정립 제어 기술 개발 >
적층부 주변을 적외선 국소 히터로 고온(1000℃ 수준)가열하여 온도 구배 및 냉각속도를 실시간으로 조절하기 위한 시스템을 개발하였다. 적외선 가열을 통해 적층물 주변부 온도구배를 줄이면 이방성이 현저히 감소된 결정립을 생성할 수 있음을 보였다. 또한, 연구 과정에서 줄어든 온도 구배가 열변형을 저감할 뿐 아니라 적층물 주위에 형성된 고상 소결체가 지지대 역할을 하므로 지지대가 없이도 금속 적층이 가능하다는 새로운 사실을 발견했다. 지지대는 금속 적층 공정에서 형상 자유도를 제약하는 극히 심각한 문제이므로 이는 매우 의미있는 발견으로 판단된다.

< 레이저 빔 진동 및 재가열을 이용한 미세구조 제어 기술 개발 >
실시간 온도 제어를 위해 적외선 센서를 이용해 용융풀의 실시간 표면 온도를 측정하기 위한 시스템을 구축하고 역열전도 문제 해석(상관식 도출)을 통해 용융풀 및 주위의 온도장을 실시간으로 추산하는 방법을 확립했다. 레이저 빔에 미세한 진동을 주어 온도장을 균일화하고 응고 시 균일핵생성을 촉진하여 결함을 줄이고 물성을 향상시키려 하였으나 온도 진동에 의한 효과는 그리 크지 않은 것으로 나타났다. 직선이 아닌 다양한 스캔 패턴이 적층물의 미세구조와 물성에 미치는 영향을 분석하였으나 이 경우도 적외선 국소 가열에 비해서는 영향이 제한적이었다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구 결과는 온도장을 잘 제어하면 현재까지 적층 제조가 불가능하다고 알려진 새로운 금속 소재의 적층이 가능함을 보여준다. 따라서 현재까지 시도되지 않은 합금소재를 대상으로 한 적층 공정 개발 및 최적화 연구를 진행할 계획이다. 이러한 연구결과가 보고되면 다양한 관련 후속 연구가 진행될 것으로 기대되며 금속 3D 프린팅 공정 적용범위 확대에 크게 기여할 것으로 기대된다. 특히, 본 연구에서 제안한 적외선 국소 가열법은 물성 증진의 측면 뿐 아니라 지지대를 필요로 하지 않는 신개념 무지지대 적층(support-free additive manfacturing) 기술을 가능하게 할 것으로 기대되므로 후속 연구를 추진 중이고, 적외선 이외의 열원(유도가열 등)을 이용한 고온 가열 기술 및 열변형 억제 기술 개발도 추진 중이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 연구의 필요성 ... 4
• 1.2 연구의 목표 및 내용 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 2.1 연구 방법 ... 6
• 2.2 주요 연구 변경사항 ... 6
• 2.3 연도별 개발 목표 및 결과 ... 7
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 20
• 3.1 정성적 연구개발성과 및 목표 달성 수준 ... 20
• 4. 연구개발결과의 중요성 ... 21
• 4.1 학술적 의미 ... 21
• 4.2 경제, 산업적 측면 ... 21
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 21
• 5.1 예상되는 연구개발성과의 활용방안 ... 21
• 5.2 추가연구의 필요성 ... 21
• 6. 자체점검표 ... 22
• 7. 참고문헌 ... 23
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 25
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 29
• 끝페이지 ... 45