Novel Austenitic Stainless Steel with Advanced Mechanical Properties Fabricated by Selective Laser Melting of Powder Mixture of Austenitic and Ferritic Stainless Steels

Y. J. Fang(방영젠),J. Suhr(서종환) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

With the help of selective laser melting (SLM) technique, austenitic stainless steels (SSs) with excellent strength and ductility have been successfully fabricated. However, the variety of SLM-fabricated austenitic SSs is limited. To develop more cost-effective SLM-fabricated austenitic SSs, a novel austenitic SS was successfully fabricated by SLM of a powder mixture composed of austenitic and ferritic SS powders, and the effect of laser energy density on the microstructure and mechanical properties of materials was investigated. At lowest energy density value (62.5 J/㎣), the phenomenon of lack of fusion was found and there were lots of ferrite with circular flow feature. With the increase of energy density, the porosity of materials was gradually decreased and the strength and elongation of materials were effectively increased. However, when energy density was highest (113.6 J/㎣), the occurrence of big keyhole pores severely weakened the tensile property of material. When an appropriate energy density was applied (89.3 J/㎣), sample displayed optimum ultimate tensile strength (675±4 MPa) and elongation (45.4±0.8%), which was mainly attributed to the formation of fine sub-grains. In addition, high strength could be attributed to formation of low-angle grain boundaries and dislocations, and low porosity of material.

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.

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.

고무 소재 메타물질의 압축 시 에너지 흡수 특성 연구

윤재원(J. W. Yun),김민겸(M. K. Kim),정효균(H. G. Jeong),이주은(J. E. Lee),오병주(B. J. Oh),김윤철(Y. C. Kim),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

최근 도심 항공 교통(Urban Air Mobility, UAM)에 대한 관심이 집중되면서 뛰어난 에너지 흡수 특성에 대한 관심이 대두되고 있다. 하지만 기존의 위상 최적화(Topography Optimization), 비드 최적화(Bead Optimization) 등의 최적화 기법으로는 요구되는 특성을 구현하는 데 한계가 있다. 따라서 새로운 제조기술인 3D 프린팅 기술이 발전함에 따라 기존 물질의 성능을 뛰어넘는 에너지 흡수가 탁월한 구조에 대한 수요가 증대하고 있다. 본 연구에서는 기존에 존재하지 않은 물리적 특성을 지닌 메타물질을 반복적으로 배열하여, 새로운 에너지 흡수 특성을 구현하고자 한다. 위 메타물질은 Digital Light Processing (DLP) 기법으로 제작하였으며, Volume Fraction 을 통일하여 Open-cell 구조를 모델링하였다. 형상에 따라 크게 격자형(Lattice/Truss), 판형(Plate), 발포형(Foam), 외피형 (Shellular) 메타물질로 설계하여, 위 메타물질의 압축 시 에너지 흡수 특성을 압축시험과 구조해석(ABAQUS)을 병행하여 평가하였다. 평가 결과 굽힘거동(Bending Dominated Behavior) 특성을 보이는 메타 물질이 에너지 흡수가 탁월한 것을 확인하였다. 본 연구로 평가된 에너지 흡수가 탁월한 메타물질은 도심 항공 교통뿐만 아니라 자동차 산업의 도어 임팩트 빔설계, 항공우주산업의 기체 구조 설계 등 해당 특성을 요구하는 다양한 산업군에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 더불어 본 연구에서 제시한 메타물질 형상별 압축 시 에너지 흡수 특성 데이터를 통해 새로운 형상의 메타물질 구조 개발도 가능할 것으로 사료된다.

고무의 점탄성 물성이 타이어 회전저항에 미치는 영향

강성주(S. J. Kang),장윤진(Y. J. Chang),이대우(D. W. Lee),정경문(K. M. Jeong),서종환(J. Suhr),김기운(K. W. Kim) 한국자동차공학회 2023 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2023 No.11

금속 3D 프린팅 시편의 에너지 밀도에 따른 미세조직 및 기계적 물성 연구

곽민준(M. J. Kwak),김민겸(M. K Kim),안예린(Y. L. Ahn),김태환(T. H. Kim),김주원(J. W. Kim),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

최근 금속 3D 프린팅 기술이 고도화됨에 따라, 금속 3D 프린팅 기술을 활용한 경량(Lightweight), 고강도(High Strength) 및 고강성(High Stiffness) 및 연성 특성을 지닌 소재 개발에 대한 관심이 집중되고 있다. 이러한 소재는 적층 공정에 따라 기존의 주조, 단조 방식에 구현되지 않는 다차원적인(Heterogeneous) 미세조직이 형성되기에, 적층 공정을 제어하여 높은 물성을 지닌 소재를 개발하는 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 하지만 금속 3D 프린팅 공정은 용융풀이 중첩되어 적층되는 방식으로, 공정 예측이 어려워 미세조직뿐만 아니라 품질 및 물성을 제어하기가 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 Powder Bed Fusion (PBF) 방식의 에너지 밀도(Energy Density)에 따른 17-4PH Stainless Steel 의 품질, 미세조직 및 물성을 분석하고, 이의 상관관계를 실험적으로 규명하고자 한다. 이를 통해 결함이 없고(Defect-free), 높은 기계적 물성을 지닌 PBF 공정 조건을 개발하고자 한다. 본 연구에서 분석한 결과 높은 에너지 밀도에서는 상대적으로 Delta-ferrite 가 높은 온도에 의해 Austenite 로 상변화되어 낮은 분율의 Delta-ferrite가 형성이 되었다. 이는 강도/강성 향상에 주요한 영향을 미치는 것을 실험적으로 규명하였다. 본 연구에서 공정 조건 설계를 통해 개발한 17-4PH Stainless Steel 은 고품질 및 높은 물성을 지니어, 다양한 산업군(자동차, 로봇, 항공/우주, 방위산업 및 의료기기 등) 다양한 분야에도 활용이 가능할 것이다.

고무 소재 메타물질을 활용한 샌드위치 복합재료 진동/소음 평가

정효균(H. G. Jeong),김민겸(M. K. Kim),윤재원(J. W. Yun),이주은(J. E. Lee),오병주(B. J. Oh),김윤철(Y. C. Kim),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

샌드위치 복합구조는 항공기에 활용되고 있는 구조로 경량, 고강도(High Strength) 및 고강성(High Stiffness) 특성이 탁월하다는 이점이 있다. 하지만 기존의 샌드위치 복합재료는 Face Sheet 을 탄소강화복합재료(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)를 활용하고 코어를 Honeycomb 구조를 활용하여 진동 소음에 취약한 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 경량 고강도/ 고강성 기계적 특성을 유지한 채 진동/소음 저감 특성을 개선한 새로운 개념의 샌드위치 복합재료를 개발하고 이를 평가하고자 한다. 기존 샌드위치 복합재료의 단점을 개선하기 위해, Face Sheet 은 CFRP 를 활용하고 코어 구조는 고무(Rubber-like) 소재의 자연 모방(Bio-inspired Material) 혹은 메타물질(Metamaterial)을 활용하여 샌드위치 복합재료를 제작하였다. 진동으로 인한 소음 특성을 분석하기 위해 Wave Numbers, Frequency Response Function (FRF) 및 모드 형상을 분석하였고, 기존의 샌드위치 복합소재 특성과 비교하였다. 분석 결과, 자연 모방 혹은 메타 물질의 진동/소음 저감 특성이 기존의 샌드위치 복합소재 보다 탁월한 것을 확인하였다. 형상에 따라 크게 격자형(Lattice/Truss), 판형(Plate), 발포형(Foam), 외피형(Shellular) 메타 물질로 설계하였으며, 형상별 응답함수 특성이 상이한 것을 관측하였다. 본 연구에서 개발한 샌드위치 복합재료는 향후 샌드위치 복합소재가 활용될 수 있는 항공, 드론, 도심형 플라잉카 등의 다양한 산업군에 적용 가능할 것으로 사료된다.

Frequency-dependent Energy Absorbing Performance of 3D Printable Metamaterials

M. K. Kim(김민겸),T. H. Kim(김태환),G. R. Kang(강규리),J. W. Lim(임진우),Y. G. Lee(이영은),Y. J. Choi(최유진),M. S. Kang(강민석),J. W. Park(박장우),E. Y. Oh(오은영),B. Y. Yoon(윤범용),J. H. Suhr(서종환) Korean Society for Precision Engineering 2020 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2020 No.9월

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.

와이어 아크 적층 제조 기반 다층시편 적층 제조 시 위빙 공정해석 연구

김주원(J. W. Kim),김민겸(M. K. Kim),이명노(M. N. Lee),김태환(T. H. Kim),안희성(H. S. Ahn),장영섭(Y. S. Jang),허성호(S. H. Heo),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월

금속 적층 제조 기술은 형상의 제약이 적고 여러 품종을 하나의 설비로 제작할 수 있어 다품종 소량생산에 매우 적합하여 자동차, 국방, 원자력 등 다양한 산업에서 주목받고 있는 신기술이다. 그 중에서도 Wire Arc Directed Energy Deposition (WA DED)는 다른 금속 적층 제조 기술에 비해 높은 적층 속도를 가지고 있으며, 대형 구조물의 적층 제조가 가능하다는 이점이 있다. 하지만 높은 입열량으로 인한 급격한 온도 변화로 용융풀이 불안정해지고, 결함이 발생하며, 기계적 물성치가 타 가공법에 비해 낮다는 단점이 있다. 이에 잔류응력을 줄여 열변형을 최소화하기 위해 WA DED 에 위빙 기법을 적용하려는 시도가 있었으나, 위빙 경로, 위빙 폭 등의 변수를 추가함에 따라 유한 요소 해석에 어려움이 있었다. 본 연구에서는 복수의 열원을 사용하여 위빙 효과를 모사하는 유한 요소 해석 기법을 이용하여 316L 스테인리스 강을 WA DED 로 적층 제조할 때의 공정 변수의 최적화를 시도하고자 한다. 단일 경로로 출력한 시편의 용융풀을 해석 결과와 비교하여 신뢰성을 검증한 후 열응력을 최소화할 수 있는 공정조건을 이용해 316L 스테인리스강을 단일벽 형태로 적층 제조하여 용융풀의 안정성과 미세조직 및 결함을 평가하였다. 에칭 후 OM/SEM 을 활용하여 분석한 결과 안정적인 용융풀이 형성되었으며 균일한 Austenite 조직이 생성됨을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제시된 복수의 열원을 이용한 유한 요소 해석 기법은 자동차, 국방, 원자력 등의 다양한 산업 현장에서 실제 제품을 적층 제조할 때 시행착오를 줄이기 위한 방안으로 활용될 것으로 사료된다.