1. 서 론
적층 제조 기술(Additive manufacturing), 즉 3D프린팅은 현재 혁신적인 제조 기술 분야로 자리 잡고 있다. 기존의 금형 제조 공정에서는 잉곳을 원하는 형상으로 제작하는 밀링 공정, 금형에 소재를 녹여 굳히는 사출 공정 등이 있다. 이러한 전통적인 제조 방식은 제작 시간이 오래 걸리고, 금형 등의 제작으로 인해 발생되는 비용이 크다1). 또한 복잡한 형상의 제품을 제작하는데 어려움이 있어서 단순한 부품을 대량생산하는데 사용된다. 하지만 3D프린팅의 경우 3차원의 데이터를 토대로 층층이 쌓아 올리기 때문에 복잡한 형상을 제작하기 유리하다. 그리고 제작 시간 및 비용 면에서 전통방식에 비해 경제적인 장점이 있어 현대에 들어 3D프린팅을 이용한 제조 공정 연구가 많이 진행되고 있다.
직접융착법(Direct energy deposition, DED) 3D프린팅은 금속 분말을 분사하여 레이저로 모재에 용융시키는 방식이다. 모재에 고출력의 레이저를 조사하면 금속분말과 같이 녹아 용융풀을 형성하고 층층이 쌓인다. DED 방식은 자동차, 항공우주, 의료, 금형 등 많은 산업분야에서 이용되고 있다. 특히 금형의 경우 크게 냉간 금형, 열간 금형으로 나눌 수 있다. 냉간 금형의 경우 단조 공정에서 많이 사용되고 SKD11종 등 초고경도 재료를 사용한다. 또한 열간 금형의 경우에는 주조 공정에서 많이 사용되며, SKD61종 등 고온 특성이 우수한 재료가 사용된다. 냉간 금형에서 장기간 사용으로 인한 마모, 크랙, 파손 등을 보수하기 위해 DED 방식이 사용되고 있으며 이러한 결함 부분에 강도가 우수한 소재를 적층하게 되면 파손 전 금형의 성능을 유지하거나 향상시킬 수 있다2).
금형 분야에서 이용되는 소재는 경도와 내마모도 특성이 우수한 고탄소 공구강 소재가 많이 이용된다. 마찰이 많은 금형 특성상 내마모도 특성이 중요하므로 다음 식을 통해 경도와 내마모도 사이의 상관관계를 알 수 있다.
여기서, Q는 마모속도, C는 비례상수, W는 수직항력, H는 경도, Kp는 partial wear coefficient, Q’은 내마모도이다3,4). 따라서 경도 값을 측정함으로써 위의 식으로부터 재료의 상대적인 내마모성을 판단할 수 있다. 추가로 Fig. 1은 소재에 따른 경도와 내마모도 사이의 상관관계를 보여준다.
SKD61, STS420, M2, M4 등 탄소 함량이 높은 금속 분말은 레이저에 의해 용융되고 응고되는 과정에서 미세 탄화물로 인해 경화된다6). 이 때 형성되는 탄화물이 소재의 경도를 향상시키기 때문에 위의 식을 통해 내마모도 특성도 향상되는 것을 유추할 수 있다. 특히 M4 소재의 경우에는 Mo, V, W 성분이 포함되어 있어 높은 경도와 내마모도 특성을 보여준다.
위와 같이 경도와 내마모도가 우수한 소재를 3D프린팅으로 적층하기 위해서 현재 많은 연구가 진행되고 있다7). 3D프린팅 시 발생하는 문제점으로는 모재와 적층 소재 간 결합부의 크랙으로 인해 박리현상이 발생하는 것이다. 이러한 문제점이 발생하는 이유는 적층물의 냉각 속도에 의한 것으로 판단하고 있다. 3D프린팅 적층 시 발생하는 에너지가 적층물에 쌓이면서 잔류 응력이 발생한다. 잔류 응력을 충분히 해소하지 못하면 최종 제품에서 뒤틀림, 크랙 등의 결함이 발생할 수 있기 때문에 냉각 속도를 조절함으로써 잔류 응력을 해소하는 것이 중요하다8,9).
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료
본 연구에서 사용된 모재는 100×50×10 mm 크기의 SM45C를 사용하였다. SM45C의 경우 일반 기계부품에 사용되는 대중적인 재료로 철과 탄소 합금이다. 기계구조용 탄소강으로 분류되며 0.45%의 탄소 함량을 가지고 있다. 그리고 적층 소재는 AISI M4 규격의 고속도 공구강을 사용하였다. M4 소재의 경우 다양한 탄화물을 형성하는 Cr, Mo, V, W 등의 원소를 함유하고 있으며, 내마모성이 우수할 뿐만 아니라 고경도에 비해 인성 또한 우수하여 금형 소재로 많이 사용된다6). 모재와 적층 소재에 대한 화학적 성분은 Table 1에 표시하였고, 추가로 M4 금속분말의 밀도는 4.4 g/cm3, 유동성 15.5 s/50g이고 Fig. 2에 M4 금속분말의 입도와 형상을 나타내었고, 실험에 사용된 분말의 입도는 52~125 ㎛ 크기로 평균 85 ㎛의 Sandvik 社의 분말을 사용하였다.
2.2 실험 방법
적층 소재의 특성을 분석하기 위해 Fig. 3에 나타낸 주사전자현미경 장비(COXEM 社)를 이용하여 분말의 형상을 확인하였다. 또한 Fig. 3에 나타낸 입도분석기 장비(HORIBA 社)를 이용하여 DED 공정에 적합한 입도분포도를 분석하였다.
Fig. 4는 레이저 출력 3 kW, 정밀도 0.015 mm, 사이즈 800×600×400 mm, 빔 사이즈는 최대 2 mm의 스펙을 가지는 3D 레이저 가공기(DED, TRUMPF 社) 장비이다. 또한 분사 노즐의 경우 0.1~0.4 mm 크기의 분말 분사가 가능하고 3구로 이루어져 있어 3방향에서 분말이 분사된다. 위의 장비를 사용하여 각각의 변수에 대해 원 라인으로 적층 실험을 진행하였다.
각 변수 별 최종 적층물의 단면을 분석하기 위해 Fig. 5에 나타낸 장비를 사용하여 전처리를 진행하였다. 우선 10×10 mm 크기로 정밀 컷팅을 진행하였고, 아크릴 수지를 이용하여 핫 마운팅을 진행하였다. #400, #800, #1200, #2400, #4000, Diamond Suspensions 6 ㎛, 3 ㎛를 이용하여 시편의 경면을 확인하였다. 추가로 Nital 5% (증류수:질산=95:5) 비율로 표면을 에칭하였고, 광학현미경 장비(Carl Zeiss 社)를 이용하여 적층물의 높이, 열영향부, 희석 영역에 대해 분석하였다. 또한 에너지 밀도 계산식을 이용하여 공정 변수에 따른 적층 효율 분석을 진행하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 적층 높이에 따른 적층 효율 비교 평가
Fig. 6은 레이저 출력, 레이저 헤드 이송 속도, 분말 공급량에 따른 적층물의 단면을 광학현미경으로 관찰한 결과이다. 본 실험에서는 빔 사이즈 (1 mm), 이송 가스 분사량(아르곤, 20 L/min)을 고정 변수로 설정 후 실험을 진행하였다. 적층 단면 분석 결과 분말 공급량 3, 6 g/min의 모든 조건에서 동일한 출력 기준 이송 속도가 증가함에 따라 적층 높이가 감소하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 7은 이송 속도에 따른 적층 공정 모식도를 나타내고 있다. 적층부에 충분한 에너지가 가해지면 분말이 더 많이 녹을 수 있으며, 충분하지 않을 경우 적층 높이가 낮게 나타난다.
Fig. 6
Cross section of deposition by laser power and laser head moving speed, (a) powder feed rate : 3 g/min, (b) powder feed rate : 6 g/min
분말 공급량 3 g/min 조건을 보면 레이저 출력 700 W, 900 W에서 적층 높이가 비슷하거나 동등한 수준을 확인하였다. 이는 사진을 확인하였을 때 레이저 출력 900 W 조건에서 용융풀의 영역이 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 적층 소재와 모재 간의 희석이 상대적으로 많이 되면서 적층 높이가 증가하지 않아 700 W 조건과 비슷한 결과가 나타난 것으로 판단된다.
분말 공급량 6 g/min 경우에는 3 g/min 조건과 다른 경향을 보였다. 동일한 속도에서 출력이 높아짐에 따라 적층 높이가 증가하였다. 이는 적층 시 용융되는 적층 소재의 양이 많아져서 높이가 높아진 것으로 판단된다. 또한 모든 변수에서 레이저 이송 속도가 빨라짐에 따라 적층 높이는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 동일한 분말 공급량을 가지지만 이송 속도가 빨라지면 단위면적당 공급되는 절대적인 분말 공급량이 줄어들기 때문에 적층 높이가 낮을 것으로 생각되고, 동일한 출력에서도 단위면적당 공급되는 에너지가 줄어들어 열영향부의 크기가 작아진 것을 확인할 수 있다.
추가로 Fig. 8 그림에서 각 조건의 적층 높이를 보면 분말 공급량 3, 6 g/min 조건에서 500 W 조건은 적층 높이가 2배 정도 증가한 것을 확인할 수 있지만, 700, 900 W 조건에서는 다른 경향이 나타났다. 그리고 이송 속도 500 mm/min 조건에서 적층 높이가 다른 조건에 비해 높게 나타났다. 적층 효율을 계산하였을 때 700, 900 W 조건은 500 W 조건에 비해 효율이 많이 떨어질 것으로 판단되고 적층 높이만 고려하였을 때, 분말 공급량 3, 6 g/min, 이송 속도 500 mm/min 조건이 최적의 조건으로 판단된다.
3.2 희석률에 따른 적층 효율 비교 평가
Fig. 9는 각 조건의 희석률을 계산한 그림이다. 희석률은 적층 공정에서 중요한 변수로 모재와 적층 소재가 용융되면서 희석되는 영역을 수치화한 것으로 모재와의 접합에 크게 연관되어있다. 희석률을 계산하는 식은 아래의 식으로 정의된다.
희석률이 너무 낮으면 모재와의 접합 계면 크랙으로 인해 박리 현상이 나타날 것이고, 너무 높으면 적층 높이가 낮아져 효율이 떨어진다. 그래서 적절한 희석률이 필요하다. 선행연구를 보면 모재와 적층 소재가 희석되는 영역의 비율이 3:7 또는 4:6이 가장 좋을 것이라 발표하였다12,13).
위의 선행 연구를 기초하여 본 연구의 조건들과 비교하였고 각 조건의 희석률은 40∼80% 사이 값을 나타내고 있다. 특히 6 g/min 조건에서 40∼60%의 값을 확인하였고 선행 연구와 유사한 수치의 조건을 볼 수 있다. 그리고 분말 공급량 3 g/min 희석률의 경우 50∼80 % 값이 나타났고 평균적으로 6 g/min 조건에 비해 높은 것을 볼 수 있다. 이는 모재와 적층 소재가 희석되는 영역에 비해 적층 높이가 낮은 것을 나타내는 것으로 적층 효율이 떨어진다.
각 조건의 희석률을 계산하였을 때 적층 효율을 생각해보면 선행연구 30∼40%의 근사치인 분말 공급량 6 g/min, 이송 속도 500 mm/min 조건이 최적을 조건으로 판단할 수 있다. 본 실험 결과에서 희석률과 적층 높이를 같이 고려하였을 때, 레이저 출력 700 W 조건이 적층 효율이 가장 뛰어난 것으로 판단된다.
3.3 에너지 밀도에 따른 적층 효율 비교 평가
본 연구에서는 각 조건에 따른 Global energy density (GED)를 계산하여 적층 효율에 대해 분석하였다. GED는 레이저 출력, 빔 사이즈, 이송 속도 변수의 관계를 계산하여 나타내는 값으로 단위면적당 레이저 열원의 에너지 값이다. 레이저 출력이 높을수록, 이송 속도가 느릴수록, 빔 사이즈가 작을수록 에너지 밀도 값이 증가하므로 적층 효율을 판단하기 위해서는 최적화 공정이 필요하다. GED를 정의하는 계산식은 아래와 같다.
Fig. 10은 이번 연구에서 설정한 조건의 에너지 밀도 영역을 보여주고, Table 2는 각 조건별 GED를 수치로 나타내었다. 앞서 언급한 적층 높이, 희석률에 따른 최적 적층 공정 조건들을 비교하였고, 이송 속도 500 mm/min, 레이저 출력 700 W의 조건에서 적층 효율이 뛰어난 것으로 판단하고 있다. 그 이유는 500 W 출력에서는 희석률이 42%로 가장 낮게 나타났지만, 700 W 희석률과 1%의 차이이다. 하지만 적층 높이를 보았을 때, 70 ㎛ 정도의 차이가 있기 때문에 700 W 조건이 효율이 우수하다고 판단된다. 또한 900 W 조건에서는 적층 높이와 희석률 간의 차이가 크지 않아 고출력의 조건에서 효율이 떨어질 것으로 예상된다. 실험 결과를 토대로 에너지 밀도값을 비교하였을 때, 60∼108 J/mm2 사이의 에너지 밀도값이 적층 높이가 높고 희석률이 낮은 것을 확인할 수 있다. 추가로 에너지 밀도 60 J/mm2 값 이하에서는 적층 높이가 낮아 효율이 떨어지고, 108 J/mm2 값 이상에서 에너지 밀도가 너무 높게 되면 용융풀의 범위가 넓어지고 적층 높이는 증가하지 않을 것이다. 또한 적층 소재가 산화되어 특성에 영향을 줄 수 있다16).
Table 2
Global energy density by process variable (J/mm2)
| \ | laser head moving speed (mm/min) | |||
|---|---|---|---|---|
| 500 | 1,000 | 1,500 | ||
| Laser power (W) | 500 | 60 | 30 | 20 |
| 700 | 84 | 42 | 28 | |
| 900 | 108 | 54 | 36 | |
GED 값 60 J/mm2 이하의 조건들의 단면 사진을 살펴보면, 형성되는 용융풀에 비해 적층 높이가 낮은 것을 알 수 있다. 그리고 분말공급량을 증가시켜 적층하였을 때, 적층 높이는 크게 증가하지 않았고 효율이 떨어질 것으로 판단하고 있다. 추가로 108 J/mm2 이상에서는 앞서 언급하였듯이 에너지 밀도를 높게 적층하였을 때 용융풀의 범위가 더욱 커지고 희석률이 증가할 수 있는 문제점이 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 금형 유지 보수에 사용이 가능한 고경도 금속 분말(AISI M4) 소재를 사용하여 적층 공정 최적화 연구를 진행하였다. 공정변수는 레이저 출력, 이송 속도, 분말공급량으로 총 3가지의 변수를 설정하였고 실험 결과는 다음과 같다.
1) 공정 변수에 따라 최적화 공정 도출을 위해 단면을 분석하였다. 적층 높이를 분석하였을 때, 분말 공급량 3, 6 g/min 조건에서 모두 레이저 출력이 높고 이송 속도가 느릴 경우 적층 높이가 증가하는 경향을 확인하였고, 적층 효율을 비교하였을 때, 레이저 출력 500, 900 W에 비해 700 W 조건에서 효율이 좋은 것으로 판단되고 적층 높이를 계산하였을 때 이송속도 500 mm/min 조건이 좋은 것을 확인할 수 있다.
2) 희석률을 계산하였을 때, 선행연구에서 보고한 30∼40%의 영역에 가장 근접한 조건은 분말 공급량 6 g/min, 이송 속도 500 mm/min 조건을 확인할 수 있었으며, 적층 높이와 희석률을 같이 비교하였을 때 레이저 출력 700 W 조건이 가장 뛰어난 적층 효율을 보이는 것을 확인할 수 있다.
3) GED 계산식을 통해 각 공정에 따른 에너지 밀도를 계산하였다. 적층 높이와 희석률에 따른 적층 효율이 뛰어난 조건들의 GED를 비교하였을 때, 60∼108 J/mm2 사이의 값을 적층 효율이 좋을 것이다. 60 J/mm2 이하의 값은 적층 높이가 낮아 효율이 떨어졌다. 추가로 108 J/mm2 이상의 값을 나타내는 조건에서는 희석률 증가로 인하 적층 효율 감소, 표면 산화로 인한 품질 저하 등의 문제가 발생할 것으로 판단하고 있다.
4) 추가로, 원 라인 적층 실험을 통한 최적 공정 변수는 분말공급량 6 g/min, 레이저 출력 700 W, 이송속도 500 mm/min 조건에서 희석률 40% 대로 나타났으며, 선행 연구 결과를 토대로 최적의 조건으로 생각할 수 있다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
XML Download
Full text via DOI
Download Citation
Print
