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3D 프린팅으로 적층 제조한 Open-cell 구조의 열적 특성 연구
노종환(J. H. No),김민겸(M. K. Kim),김동원(D. W. Kim),김주원(J. W. Kim),김태환(T. H. Kim),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
3D 프린팅으로 적층 제조 가능한 Open-cell 구조는 특정 형상의 Unit-cell을 규칙적인 배열로 구성하여 경량(Lightweight), 고강도/강성(High Strength/Stiffness), 에너지 흡수(Energy Absorption) 등 다양한 기계적 특성을 부여할 수 있다. 그뿐만 아니라 Open-cell 구조의 넓은 전열 면적을 활용하여 열원으로부터 전도된 열에너지를 대류를 통해 방출 함으로서 탁월한 열에너지 관리 능력도 부여할 수 있어 최근 글로벌 환경규제 및 에너지 효율화 요구 측면에서 자동차, 철도, 항공 우주 등 수송 분야의 부품 소재로서 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 Powder Bed Fusion (PBF) 기법으로 적층 제조한 다양한 Open-cell 구조의 열적 특성을 평가하고 설계 방안을 제시하고자 한다. 높은 비표면적(High Specific Surface Area)을 지닌 Open-cell 구조의 적층 공정 특성상 발생하는 Support 구조를 고려하여 제조 가능한 Cell 크기와 형상을 설계하였으며, 열전도 실험을 통해 정상(Steady) 및 과도(Transient) 상태에서의 열적 거동을 분석하였다. 실험 결과 Open-cell 구조의 표면에서 발생하는 대류 효과를 통해 기존 Solid 구조보다 열저항이 증가하고 열전도도가 감소함을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 평가된 Open-cell 구조의 열적 특성은 향후 수송 분야 뿐만 아니라 공정 과정에서 고열이 발생하는 플랜트 및 금형 등 광범위한 산업에서 고효율/고기능 소재로서 활용될 것으로 사료된다.
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고품질 부품 적층 제조를 위한 금속 3D 프린팅 공정설계 연구
김정현(J. H. Kim),김민겸(M. K. Kim),박찬욱(C. W. Park),김동원(D. W. Kim),노종환(J. H. No),유상훈(S. H. Yoo),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
금속 3D 프린팅(3DP)은 합금의 종류와 공정변수(Laser Power (W), Scan Speed (mm/s), Layer Thickness (mm), Line Spacing (mm) 등) 등의 여러 변수들에 복합적인 영향을 받으므로, 금속 3DP 공정을 체계적으로 설계하지 못할 경우, 공정실패 및 결함 등의 문제가 필수불가결하게 발생한다. 따라서 산업체에 금속 3DP 기술이 활용되기 위해서는 고품질 부품을 제조할 수 있는 공정설계 기술이 필수적이다. 본 연구에서는 금속 3DP 기술의 상용화를 위해 치밀화(Densification) 및 고해상도(High Resolution) 구현이 가능한 공정조건 설계 기법을 제시하고자 한다. Powder Bed Fusion (PBF) 기법은 금속 분말을 레이저로 용융 시키는 방식으로, 국부적인 열에너지 조사로 인해 기공이 쉽게 발생한다. 기공은 적층제조물의 밀도를 떨어뜨리고 기계적 물성을 저하시키기에, 본 연구에서는 공정조건 설계를 통해 상대밀도 99% 이상과 높은 해상도 특성 구현이 가능한 공정 조건을 개발하였다. 공정 조건 설계 시 Laser Power 및 Scan Speed 에 따른 Single Track 의 용융풀 형상/크기를 활용하여, Layer Thickness 및 Line Spacing 공정 조건을 설계하였고, 상대밀도 분석을 위해 Cubic 시편을 제조하였다. Cubic 시편의 상대밀도를 기반으로 Lack of Fusion 및 Keyholing 등의 결함이 발생하지 않는 공정 조건 범위를 설계하였으며, 최종적으로 고해상도 구현이 가능한 공정 조건을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 공정 조건 최적화 기법이 향후 금속 3D 프린팅, 자동차 및 항공산업에 활용된다면 불량률을 최소화하고 금속 부품 생산 비용과 시간을 획기적으로 절감하여 미래산업발전을 앞당기는 파급효과가 있을 것으로 예상된다. 또한 Design for Additive Manufacturing (DfAM) 기술과 결합된다면 고품질 및 고성능 부품 제작을 실현할 수 있을 것으로 사료된다.
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공정 조건에 따른 금속 적층 제조된 시편의 열변형량 예측 연구
김태환(T. H. Kim),윤찬혁(C. H. Yoon),김진환(J. H. Kim),김민겸(M. K. Kim),김동원(D. W. Kim),김주원(J. W. Kim),노종환(J. H. No),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
최근 항공 우주, 자동차, 선박 등의 고부가가치 산업에서 금속 적층 제조 기법을 적용하기 위한 연구와 산업화에 대한 움직임이 활발하다. 하지만, 해당 기법을 현장에 적용하기 위해서는 기존 공법으로 제작된 제품과의 물성 및 품질 격차, 그리고 높은 생산 비용 등의 문제가 발생하며 적층 제조 도중 발생하는 여러 결함들(균열, 박리, Lack of Fusion, Keyhole 등)에 대한 연구와 해결책이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 금속 적층 제조 기법의 최적 공정조건 및 서포트 구조를 열변형량(Thermal Deformation) 관점에서 분석하고자 한다. 이를 위해, 금속 적층 제조 기법 중 Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) 방식을 활용하여 각 공정조건 별로 제작된 시편들(As-built Specimens)의 열변형량을 측정하고, 열응력 해석(Simufact Additive)을 통해 계산된 잔류응력(Residual Stress)과 그에 의한 열변형량과 비교하여 검증한다. 본 연구에서 정립된 공정 조건 및 서포트 구조 설계 과정은 추후 금속 적층 제조 기법을 실제 산업에 적용하는데 활용할 수 있을 것으로 사료되며, 이를 통해 향후 실험실 스케일의 시편이 아닌 실제 사용 제품을 적층 제조 할 때 발생하는 결함들에 미리 대비할 수 있을 것으로 기대된다.
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3D 프린팅 기반 경량 및 고강도/강성 특성을 지닌 격자 구조 연구
박찬욱(C. W. Park),김민겸(M. K. Kim),김정현(J. H. Kim),김동원(D. W. Kim),노종환(J. H. No),유상훈(S. H. Yoo),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
최근 전기차와 항공기에 대한 수요가 증가하면서 경량(Lightweight), 고강도(High Strength) 및 고강성(High Stiffness) 특성을 갖는 구조의 중요성이 대두되고 있다. 주행거리를 더 확보하기 위해 위상 최적화(Topography Optimization)로 전체 구조의 무게를 낮추거나 3D 프린팅으로 차체의 뼈대나 브레이크 패드, 베어링, 모터 등을 경량화하는데에 관심이 집중되고 있다. 따라서 본 연구에서는 3D 프린팅을 위한 구조설계(Design for AM, DfAM) 기법을 고안하고, 3D 프린팅을 활용하여 경량 및 고강도/강성 특성을 지닌 격자구조를 개발하고자 한다. 위 메타 물질은 Polyjet 기법으로 제작하였으며, Polyjet 제조기법 특성을 고려하여 Open-cell 구조를 모델링하였다. 설계한 격자 구조의 압축 특성을 설계하기 위해 압축시험과 구조해석(ABAQUS)을 병행하여 설계하였고, 해석 및 압축시험을 기반으로 격자 구조의 기계적 거동(굽힘 및 좌굴 특성 등)을 분석하였다. 격자형 구조는 압축 시 기타 구조(메타 구조 및 자연 모방구조 등)에 비해 쉽게 굽힘 및 좌굴이 발생하였고 이는 격자 구조의 강도/강성 저하를 야기시켰다. 따라서 국부적인 변형을 방지할 수 있는 보강 구조(Reinforcement)를 지닌 격자 구조가 고강도/강성 특성을 보이는 것을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 격자 구조는 미래자동차와 항공 우주분야에서 요구하는 경량 및 고강도/강성 특성을 지니어 향후 금속 3D 프린팅 기법에 접목시킨다면, 성장하는 미래자동차 시장에 대응이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 불필요한 자원과 탄소 배출을 줄여 미래 환경에 대한 대비책이 될 것으로 사료된다.
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금속 적층 방향과 시편 크기에 따른 17-4PH 강재의 적층 제조 시 기계적 물성 및 이방성 연구
김동원(D. W. Kim),김민겸(M. K. Kim),김주원(J. W. Kim),김태환(T. H. Kim),노종환(J. H. No),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
금속 적층제조, 통상 3D 프린팅으로도 불리는 기술은 전통적인 주조 혹은 단조 가공과 달리 형상에 대한 제약이 적어 기존 방식으로는 제작이 불가능한 형상 또한 제조할 수 있다는 장점이 있다. 또한 제작수 량에 따른 비용 변화가 적어 다품종 소량생산에 매우 적합한 생산 방식이며, 이러한 장점으로 인해 항공우주, 국방, 원자력 산업 등 다양한 분야에서 주목하고 있는 신기술이다. 하지만 복잡한 공정 조건과 이에 따른 출력물의 결함 발생 및 기계적 물성 변화가 완전히 규명되지 않아 실제 산업에 적용하기에는 제약이 많다. 이에 본 연구에서는 17-4PH 스테인레스강의 적층 방향별 기계적 물성의 이방성을 파악하고, 이를 미세조직 분석을 통하여 평가하고자 한다. 기계적 물성 파악을 위한 시편은 다양한 크기와 적층 방향을 설정하여 출력하였고, As-built 및 Solution Aging 조건에 대해 각각의 특성을 파악하였다. 측정 결과 As-built 조건에서 적층 방향별 이방성이 가장 크며 Solution Aging 시편의 경우 이방성이 감소하고 물성이 향상된 것을 확인할 수 있었다. OM/SEM 을 활용한 미세조직 분석 결과 Solution Aging 시편에서 보다 균일한 Martensite 조직을 확인하였다. 또한 시편의 크기 축소에 따라 결함에 의한 응력 집중 효과로 기계적 물성이 감소함을 확인하였다. 본 연구를 통해 파악된 17-4PH 스테인레스강의 적층 제조 시 시편 크기와 방향에 따른 기계적 물성과 미세조직 특성은, 추후 PBF 적층 제조 기술의 실제 산업 현장에 적용하기 위한 물성 평가 기준 마련에 활용할 수 있을 것으로 생각된다.
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