10.02.2021 by Andrew Gillen

금속 적층 제조와 신뢰할 수 있는 열물리 특성 데이터의 필요성

적층 제조(AM)는 액체, 고체 또는 분말 공급 원료로 부품을 생산하는 데 적합한 다양한 기술을 포괄합니다. 분말 베드 융합 공정인선택적 레이저 용융 (SLM)은 금속, 합금, 세라믹을 사용하여 신속한 프로토타입 제작 및 부품 제조를 위해 일반적으로 사용되는 AM 공정이 되었습니다. 열 분석을 사용하여 제품 품질 향상을 위해 SLM, 적합한 재료 및 입력 파라미터를 최적화하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.

최근 3D 프린팅으로도 알려진 적층 제조(AM)는 자동차, 전자, 생물의학, 건설, 항공우주 및 식품 산업에서 비용 효율적인 니어넷 형상 부품 제조를 위한 유망한 기술로 부상하고 있습니다. 이전 기사에서는 선택적 레이저 소결에 사용되는 폴리아미드(PA) 12 분말의 공정 창을 결정하고등온 결정화 거동을 연구하는 데 중점을 두었습니다.

그림 1: SLM 프로세스 매개변수

선택적 레이저 용융이란 무엇인가요?

직접 금속 레이저 소결(DMLS)이라고도 하는 SLM은 고강도 레이저를 에너지원으로 사용하여 CAD(컴퓨터 지원 설계) 데이터에 따라 분말의 선택적 영역을 층별로 용융 및 융합하는 분말 베드 융합(PBF) 공정입니다.

SLM 공정은 1990년대 중반 독일의 F & S Stereolithographietechnik GmbH와 프라운호퍼 ILT에서 개발했습니다. SLM에서 최종 부품의 품질은 레이저 출력, 스캐닝 속도, 해치 간격 및 층 두께를 포함한 입력 공정 파라미터에 의해 크게 결정됩니다(그림 1 참조).

주변의 녹지 않은 파우더가 이미 제작된 부품 또는 부품의 일부를 지지하고 있더라도 금속 PBF 공정에는 열 전달 및 고정을 위한 지지 구조가 필요합니다. 과열과 원치 않는 형태 변화를 방지하기 위해 열이 부품에서 멀리 전도되어야 합니다. 앵커링은 빌드 플레이트에 용접되는 지지 구조물을 말하며, 나중에 기계 가공을 통해 제거해야 합니다. 폴리머 PBF에 비해 온도가 약간만 상승해도 빌드 챔버에서 발생하는 온도 구배가 크기 때문에 잔류 응력의 축적과 뒤틀림이 주요 문제인데, 앵커를 통해 이를 완화할 수 있습니다.

SLM에 적합한 소재는 무엇인가요?

SLM 공정은 스테인리스강, 공구강, 티타늄, 알루미늄, 코발트-크롬, 텅스텐 및 니켈 기반 초합금을 포함한 합금을 적층 제조하는 데 사용되어 왔습니다. 일부 합금은 산소에 대한 반응성, 흡수성, 습윤성 및 열적 특성으로 인해 반사율이 높아 SLM 적용이 제한적입니다.

알루미나, 지르코니아, 실리콘 카바이드를 포함한 세라믹은 SLM 공정을 사용하여 적층 제조되었지만, 세라믹의 깨지기 쉬운 특성과 상대적으로 낮은 열전도율로 인해 일반적으로 세라믹의 SLM에는 더 많은 어려움이 있습니다.

제품 품질 향상을 위한 적층 제조 입력 파라미터 최적화

최근 SLM 공정의 발전에도 불구하고 과열 또는 과소 가열, 뒤틀림과 같은 문제는 여전히 최종 제품 품질에 문제를 일으킬 수 있습니다. SLM 과정에서 온도 분포와 열 부하를 더 잘 이해하여 공정 파라미터를 최적화하고 궁극적으로 최종 부품 품질을 최적화하기 위한 노력이 계속되고 있습니다. 유한 요소 해석(FEA)과 같은 열-기계 시뮬레이션은 가상 프로토타이핑을 위한 수단을 제공했으며, 제조업체가 다양한 재료에 대해 SLM 공정 파라미터를 최적화하고 구조 형상을 지원함에 따라 점점 더 중요해지고 있습니다.

열전도도가 SLM 공정 파라미터에 미치는 영향

대표적인 열역학적 SLM 시뮬레이션에는 파우더 베드와 고형화된 부품의 정확한 온도 의존적 열전도도 데이터가 필요합니다. NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash 은 최대 1250°C까지 SLM 공급 원료 분말과 완제품 SLM 프린팅 부품의 열전도도를 측정하는 데 적합합니다. 온도에 따른 밀도(ρ) 보정은 NETZSCH DIL 402 Expedis Classic 팽창계를 사용하여 일상적으로 측정할 수 있으며, 고온 범위의 비열 용량(비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp)은 NETZSCH DSC(예: 404 F1 Pegasus®)를 사용하여 측정합니다. 모든 측정은 동일한 온도 범위에서 수행해야 합니다.

그림 2: (a) 액체 금속용 시료 홀더, SiC 버전 (b) NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash®

적용 예시: 오스테나이트 계 스테인리스강 분말의 열 전도성

아래 적용 예에서는 상온에서 1000°C까지 오스테나이트 스테인리스강 분말의 열확산도를 측정하기 위해 플래시 방법(LFA)을 사용했습니다.

그림 3: 오스테나이트 스테인리스강의 열 확산도 측정 및 시간에 따른 열 전도도 계산 결과

그림 3에서 볼 수 있듯이 열확산도와 열전도도는 동일한 추세를 따릅니다. 소결 단계가 다르기 때문에 두 가지 모두 크게 증가합니다. 물론 열전도율의 증가는 열확산도의 변화와 500°C 이상의 파우더 베드 밀도 증가의 영향을 받습니다. 최적의 제품 품질을 보장하기 위해 적합한 SLM 입력 파라미터를 선택할 때는 파우더 베드 치밀화로 인한 열전도율 증가를 고려해야 합니다. 또한, 이것이 바로 빌드 중에 레이어별로 또는 특정 영역에서 파라미터를 조정하는 연구에 집중하는 이유 중 하나입니다.

참조

  1. Yap, C. Y., Chua, C. K., Dong, Z. L., Liu, Z. H., Zhang, D. Q., Loh, L. E., & Sing, S. L. (2015, 12, 01). 선택적 레이저 용융 검토: 재료 및 응용. 응용 물리학 리뷰, 2, 4, 41101. \
  2. Chua, C. K., Wong, C. H., & Yeong, W. Y. (2017). 3D 프린팅 및 적층 제조의 표준, 품질 관리 및 측정 과학.
  3. Luo, C., Qiu, J., Yan, Y., Tang, X., Yang, J., & Uher, C. (2018). 열전 SnTe의 선택적 레이저 용융 공정 중 온도 및 응력장의 유한 요소 해석. 재료 가공 기술 저널, 261, 74-85.

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