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애로기술해결Maraging steel 분말 적층성형 processing window 최적화를 위한 미세조직 분석 지원

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금속 3D 프린터 제조 및 적층 성형 시 공정 변수에 따른 기초 자료 및 그에 대한 평가 방법은 최적화 공정 조건을 확보하는데 필수적이며, 적측성형 곶어에 따른 물성치에 대한 평가 자료는 장비를 제조하고 그 공정을 개발하기 위한 기초적인 자료이면서 중요도가 높은 부분이라 할 수 있음. 따라서 적층 성형 공정 조건에 따른 소재의 미세조직, 비중, 기계적 강도 평가의 지원이 필요함.


maraging steel 분말의 적층 성형 공정 변수인 Laser power, scan speed 공정 조건에 따른 소재의 성형 조건 최적화를 위해 기공율의 평가 척도인 밀도를 평가하고, 또한 미세조직 분석을 통해 기공의 분율 및 크기 등을 분석함과 동시에 공정 조건에 따른 경도 특성 시험 평가 지원을 실시함.


금속 분말의 적층성형 공정에 미치는 특성은 금속 분말의 용융점, 분말 크기, laser 흡수 특성, laser의 power, 이송속도, 간격 등으로 나눌 수 있고, 본 기술 지원에서는 동일 분말 종류에 대한 laser power 및 이송속도 공정 조건을 제어하여 적층 성형 시표의 밀도, 미세조직, 기계적 특성을 평가하고자 하였음.


[그림 88]는 일반적으로 금속재료의 밀도 평가 시 이용되는 아르키메데스 원리를 이용한 밀도 분석법을 보여주고, [표 5]은 이를 이용해 평가한 적층 성형 maraging steel 소재의 공정 조건 및 밀도 분석결과를 나타냄.



본 기술 지원을 위해 제조된 시편은 공정 조건 별료 12개의 시편으로 설정하였고, 이송속도는 900, 800, 700 mm/s 이며, 각 이송속도 조건에서 laser power를 120 ~ 160 W로 제어하여 시편 제작을 진행하였음. 제조된 시편들의 밀도는 이송속도에 비해 laser power 조건에 크게 영향을 받는 것을 알 수 있고, 150, 160 W 조건에서 이론밀도에 근접한 밀도를 나타내었음.


[그림 89]에서 보여지는 바와 같 이 laser power가 증가함에 따라 밀도가 증가하는 것을 알수 있으나, 900 mm/s 조건에서는 150 W 조건에서 가장 높은 밀도를 나타내는 것으로 확인 되었으며, 160 W에서의 밀도 감소 결과에 대한 추가적인 분석이 요구될 것으로 판단됨.



제조된 시편들의 상구조를 확인하기 위해서 X-선 회절 분석을 진행하였고, 그 결과를 [그림 90]에 나타내었음. 분석 결과를 보면, 모든 시편들은 BCC 구조의 a’마르텐사이트 상에 해당하는 회절 피크를 나타내었고, 이를 통해 설정된 공정조건은 마르텐사이트 상을 형성시키위해 요구되는 냉각속도를 만족하는 것으로 사료됨.



[그림 91]은 공정 조건에 따른 광학현미경 미세구조 분석 결과를 나타냄. 120-140 W 조건에서 제조된 시편들은 수 ~ 100 마이크로미터 크기의 기공이 다수 형성됨을 알 수 있음. 반면에 150-160 W 조건에서 제조된 시편에서는 상대적으로 건전한 미세조직이 형성됨을 확인할 수 있음. 그러나 900 mm/s, 160W 조건에서는 일부 수 마이크로미터 크기의 기공들이 형성된 것을 알 수 있는데 이는 높은 이송속도에 따른 gas trapping 현상에 의한 것으로 사료됨. 따라서 추가적인 공정 조건 제어 시 이에 대한 고려한 필요할 것으로 사료됨.




공정 변수에 따른 적층 성형 시편들의 경도 특성 평가를 위해 마이크로 비커스 압입 시험을 실시 하였고, 그 결과를 [그림 92]에 나타내었음. 압입 시험을 위한 조건으로 압입하중은 1.96 N, 압입 유지시간은 10 초로 설정하였음. 형성상 자체의 미소경도를 평가하기 위해 기공 위치를 피해 시험을 진행하였음.


마이크로 비커스 압입 시험 분석 결과, 모든 시편은 오차범위 내에서 약 350-370 HV 사이의 값을 나타내었음. 공정 조건에 따른 큰 편차는 나타나지 않았으며, 향후 기공율에 따른 기계적 특성 평가를 위해서는 macro-scale의 인장 또는 압축시험에 의한 기계적 특성 평가가 필요할 것으로 사료됨.








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