L-PBF 기반 대형 금속 적층공정의 실패 저감을 위한 결함 발생 원인 및 결함부 미세분석에 관한 연구 = A Study on Failure Mitigation Through Defect Cause Identification and Microstructural Analysis of Defective Regions in Large-Scale L-PBF Metal Additive Manufacturing

국문 초록 (Abstract)

L-PBF 기반 대형 금속 적층공정의 실패 저감을 위한 결함 발생 원인 및 결함부 미세분석에 관한 연구 논문제출자 송 국 호 지 도 교 수 김 정 한 우주·국방 등 첨단분야의 활용 부품이 일체화, 복잡화됨에 따라 전통 제조 공정으로 한계가 있어 이를 극복하기 위한 기술로 적층제조 방식 이 적극 활용되는 추세이며, 최근 더 나아가 금속 부품의 대형화에 대 한 수요가 증가하여 대면적 L-PBF(Laser - Powder Bed Fusion) 공정 기술이 요구되고 있다. 금속 L-PBF 기술은 레이저를 열원으로 금속 분말을 용융하여 반복적으로 적층하며 제조하는 기술로 성공적인 제작 을 위해 열과 응력 등 공정 관리가 요구된다. 특히 500mm급 대형 부 품의 경우 제작 실패 시 비용과 시간의 손실이 더욱 커 다양한 변수에 대한 고려와 정밀한 공정 제어가 필요하다. 본 연구에서는 35톤급 엔진 연소기의 500mm 크기 부품인 일체형 헤드부 제작을 위해 적층제조 설계(DfAM, Design for Additive Manufacturing)와 위상 최적화 설계 및 맞춤형 서포트 생성 등 설계상 문제점 대형 부품의 특성상 면적이 넓어지는 영역에서의 열누적으로 인한 문제 등을 4번에 걸친 제조 공정간 실패 사례 기반으로 분석하였 고 이를 통해 연소기와 같은 대형 부품 제작시 대면적 기술 적용을 위 해 공정 간 발생하는 문제의 원인을 도출하였다. 또한 500mm급 대형 금속부품 제작 공정 중 발생하는 출력 실패 원인 분석을 통한 대형 부 품 적층 공정 최적화 및 공정 신뢰성 확보를 위한 연구를 진행하였다. 일체형 헤드부는 부품 구조상 위쪽(Z 방향 상부)으로 갈수록 적층 단 면 면적이 급격하게 넓어지는 형상적 특징을 가지고 있다. 이처럼 적층 면적이 넓어지는 구간에서는 L-PBF 공정 중 열 누적이 심화되며, 이 는 특히 IN718의 높은 열팽창 계수와 결합하여 잔류 응력 및 열변형을 누적시키는 주요 원인이 된다. 제작에 실패한 출력물의 결함부 미세조 직 분석을 통해 대형 부품 특성상 출력 면적이 급격히 변화되는 부분 에서의 열이력 제어가 중요하다는 것을 확인하였고, 대형 부품의 부위 별 열 이력 차이로 인한 미세조직 및 기계적 특성 분석이 상이하게 나 타나는 것을 확인할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅰ
• 그 림 목 차 ⅱ
• 국 문 요 약 ⅲ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구내용 및 목적3
• Ⅱ. 적층공정 파라미터 도출 5
• 2.1 활용장비 및 소재5
• 2.2 파라미터 조건 도출 실험 8
• 2.3 시편기초 물성 분석11
• Ⅲ. 실험 및 결과 17
• 3.1 1차 제작 출력 실패 원인 분석 21
• 3.2 2차 제작 출력 실패 원인 분석 24
• 3.3 3차 제작 출력 실패 원인 분석 17
• 3.4 4차 제작 출력물 분석 31
• Ⅳ. 미세조직 분석 35
• 4.1 결함부 미세조직 분석 35
• Ⅴ. 결론 39
• Ⅵ. 참 고 문 헌 42
• 영 문 요 약(ABSTRACT) 44