Recent developments of Laser metal 3D deposition with wire feeding are reviewed which provide an alternative to powder feeding method. The wire feeding direction, angle and position as well as laser power, wire feeding rate, and deposition speed are found to be key parameters to make quality deposition with high throughput. When compared with the powder feed, the wire feed shows higher material efficiency, higher deposition rate, and smoother surface. Large elongated columnar grains which have epitaxial growth across deposit layers are observed in deposit cross sections. The growth direction is parallel to the thermal gradient during the deposit process. Tensile properties are found to be dependent on the direction due to the anisotropic deposit property. A real-time feedback control is demonstrated to be effective to improve the deposition stability.
3D프린팅(printing)은 CAD 디자인 정보를 이용하여 소재를 적층하여 3차원 물체를 제조하는 적층제조(additive manufacturing)공정을 의미하며 기존의 선삭, 밀링, 연삭가공 등을 바탕으로 하는 절삭가공에 대비되는 개념이다. 3D 프린터에서 이용되는 한층씩(layer by layer) 쌓아올리는 형태의 제조방식은 전통 가공방식에 비해 형상학적 자유도와 시간과 소량 생산에서 생산비 절감효과를 제공한다. 그리고 시작품단계에서 쾌속조형(rapid prototyping) 뿐 아니라 최종 부품으로 적용이 확대 추세이다
현재 주로 사용되는 금속 적층제조 공법은 분말적층용융(Power Bed Fusion, PBF) 공법과 고에너지 직접조사(Direct Energy Deposition, DED) 공법 두 가지로 나뉜다. PBF 공법의 경우, 모재 분말층위에 고에너지의 레이저나 전자빔을 선택적으로 조사하여 용융 결합시키며 층층이 형상을 쌓아 올린다. 이 공법의 경우 형상 자유도와 부품정밀도가 높은 장점이 있지만 선택적 분말 소결 또는 용융 공정 특성상 적층 밀도가 낮고 용융 균일도 확보가 어려워 출력물의 강도와 재현반복성이 떨어지는 단점이 있다. DED 공법은 금속 분말 등 용가재료를 적층부에 송급하면서 동시에 레이저 등의 고에너지로 용융하여 적층하는 방식이며 PBF 공법에 비해 강도와 재현반복성이 향상되어 현재 연구가 활발하게 이루어지는 3D프린팅 기술이다
하지만 현재 DED 공법에 주로 이용되는 분말송급방식은 동축 분말송급 및 용융제어가 용이한 장점을 가지고 있으나 이에 비해 용접에 주로 이용하던 와이어송급방식은 시스템구성이 다소 복잡해지지만 생산성, 기공, 표면 품질, 재료 효율 측면에서 장점을 가지고 있어 최근 많은 관심을 받고 있다
와이어 송급 적층 시스템 구성은 고출력 레이저, 열원의 위치와 모션제어 장치, 금속 와이어 공급 장치 등이 있으며 산화 방지를 위한 불활성 가스 분위기가 조성된다.
Schematic drawing of the wire feeding DED process
와이어송급 위치, 방향과 각도는 적층 품질에 중요한 영향을 미친다.
(a) front feeding, (b) rear feeding, (c) wire placed at leading edge, (d) wire placed at the centre and (e) wire placed at the trailing edge of the melt pool (top row is for rear feeding and bottom row is for front feeding)
레이저출력과 적층속도는 적층형상을 결정하는 중요한 변수이다. 즉, 레이저출력이 증가할수록 그리고 적층속도가 감소할수록 단위시간 단위면적 당 에너지가 증가하므로 와이어가 용융되는 양이 증가한다. S. H. Mok 등의 연구보고
Summary of experimental setups for laser metal deposition with wire feeding
Processing Parameters | Brandl et al. |
Syed et al. |
Mok et al. |
Hussein et al. |
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Deposition material | Ti-6Al-4V | STS 316L | Ti-6Al-4V | Waspaloy |
Substrate material | Ti-6Al-4V | Mild steel | Ti-6Al-4V | Waspaloy |
Substrate thickness, t [mm] | 6.35 | 5 | 10 | 10 |
Laser type | 3.5kW, Nd:YAG | 1.5kW, Diode | 2.5kW, Diode | 2kW, Diode |
Laser power, P [kW] | 1.75~3.5 | 1.1 | 1.2~2.06 | 1 |
Beam size @melt pool, Db[mm] | ~4.1Φ | 2.5×3.5 | 2×7 | 2×6 |
Motion control | 6-axis robot | x-y CNC, manual z | 4-axis CNC | CNC |
Metal wire diameter, D [mm] | 1.2 | 0.8 | 1.2 | 1.2 |
Wire feeding direction | Front | Front | Front | Front |
Wire feeding position | Leading edge | Leading edge | Leading edge | Leading edge |
Feeding angle, α [°] | 55 | 20, 50 | 45 | 45 |
Wire feeding speed, vw[mm/s] | 15~160 | 26.5 | 16.6~33.3 | 25 |
Deposition speed, v [mm/s] | 7.5~40 | 4 | 0.83~5 | 1.7 |
Shielding Gas | Ar | Ar | Ar | Ar |
Deposition rate vs. material delivery rate at different laser powers for wire and powder feed deposition
와이어송급을 이용한 Ti-6Al-4V 합금의 적층연구
(a) Schematic of the wall building strategy and (b) cross-section of the deposited single bead wall and (c) the microstructure of band region and the nominal region observed in the as deposited sample
공정 조건에 따른 경도 차이는 10 % 이내임을 확인하였고 적층속도가 증가함에 따라 또는 레이저 에너지가 감소함에 따라 경도가 증가한다. 이는 냉각속도 증가로 인해 입자 크기가 감소하기 때문이다. 그리고
B. Baufeld 등의 Ti-6Al-4V 와이어적층 연구논문
와이어송급 방식은 와이어와 용용풀과 충돌 위험이 있고 와이어가 불완전하게 용융될 경우 공정 불량이 발생하는 등의 문제점이 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 실시간 피드백 제어를 적용하는 것은 좋은 방법이 될 수 있다. A. Heralic 등의 연구논문
Illustration of the robotized laser metal-wire deposition system with feedback control
Multi-layered single bead wall deposited with automatic process control (The length of the wall: 215mm)
본 리뷰 논문에서는 와이어송급 DED공정의 공정 특성, 와이어송급과 분말송급 공정 비교, 미세조직 및 기계적 물성, 그리고 공정 모니터링 및 실시간 제어에 관한 선행 연구결과를 요약하였다. 와이어송급 방식은 높은 생산성과 재료효율, 낮은 산화오염 위험성 등의 장점을 가지고 있지만 낮은 형상 정밀도와 자유도로 인해 제한적으로 활용되고 있다. 그러나 대형부품의 경우 타 방법으로 적용이 어려우므로 현재보다 생산성 및 품질을 향상시킬 경우 적용이 가장 유리한 공법이다.