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JWJ > Volume 39(6); 2021 > Article
고에너지 직접적층제조 (DED) 공정에 의한 석출경화형 STS630 소재의 적층 최적화 연구

Abstract

The quality and properties of products manufactured using metal three dimensional (3D) printing technology differs based on the process parameters. In addition, the characteristics and uses vary depending on the material used. In this study, the Direct Energy Deposition(DED) technology using a precipitation hardening type STS630 was investigated. The experimental process parameters, namely, the beam size, powder feeding rate, laser header moving speed, laser output power were set, and the deposition height and dilution were analyzed through deposition cross- section analysis after experiments according to each Additive Manufacturing(AM) process variable. The results showed that the deposition height decreased as the laser header moved faster. It was further observed that the dilution ratio and the width of the heat affected zone depended on the laser power and powder feed rate. The optimal process parameters were identified as a beam size of 1 mm, powder feeding rate of 6 g/min, laser header moving speed of 500 mm/min, and a laser output power of 500 W.

1. 서 론

3D 프린팅이란 설계된 가상의 디자인을 물리적인 제품을 만들기 위해 소재를 적층하여 제조하는 것으로 AM (Additive Manufacturing)으로도 불린다. 3D 프린팅 이전에 제품을 만드는 방법으로는 밀링, 분말 야금 등의 방법이 있으며, 현재에도 많이 사용되는 방법들이다. 하지만 밀링, 분말야금을 통한 제품 제작은 복잡한 형상 구현이 어렵고, 불필요한 소재 소모가 큰 단점이 있다. 그와 반대로 3D 프린팅의 경우 복잡한 형상 구현이 가능하고 불필요한 소재 소모가 적은 것이 특징이다. 그리고 항공 우주, 자동차, 전기 및 전자 제품, 공구 및 금형, 의료 분야 등의 광범위한 산업에서 사용되고 있으며1), 디자인 설계를 통한 사용자 맞춤으로 제품을 생산할 수 있어 실용적인 부분에서 우수한 강점을 가진다.
3D 프린팅으로 사용되는 금속 소재의 경우 크게 PBF (Powder Bed Fusion), Binder jetting, DED(Direct Energy Deposition) 등의 방식이 있다2). PBF 방식의 경우 금속 분말 소재를 얇게 깔고 고출력의 레이저 또는 전자빔으로 선택적으로 조사하여 소결시키거나 용융시켜 적층하는 기술로 알려져 있다. Binder jetting 방식의 경우 액체 상태의 바인딩 물질을 파우더 재료에 선택적으로 분사하여 적층하고 새로운 파우더를 얇게 도포한 후 다시 바인딩 물질을 분사하는 과정을 반복하면서 제품을 제작하는 공정이다. DED 방식의 경우 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 조사하면 순간적으로 용융되고 동시에 금속 분말을 공급하여 실시간으로 적층하는 방식이다. DED 방식은 대형 제품 제작이 쉬워 금형, 자동차, 우주 항공 등의 다양한 산업에서 적용되어 제품 제작 및 연구가 진행되고 있다3). 본 연구에서는 금속 소재를 활용한 3D 프린팅으로 금형 소재로 많이 사용되는 STS630 소재를 활용하여 DED 방식의 공정 변수를 제어하여 단면 특성을 분석하였다.
스테인리스강 계열의 경우에는 우주 항공, 자동차, 금형 등의 산업에서 주로 사용되는 소재이다. 스테인리스강의 경우 구성 성분에 따라 특성이 다양하게 나타나기 때문에 폭 넓은 산업 분야에서 다용도로 사용 된다4). 본 연구에서는 금형 소재로 활용되는 STS630 소재를 활용하여 다양한 공정 변수를 토대로 제품의 기계적 특성을 평가하는 최적화 연구를 진행하였다. 우선 금형 소재로 활용되는 STS630 소재의 경우에는 석출경화형 스테인리스강으로 불리며 가공성, 강도, 연성, 내식성 등의 특성이 우수하여 우주 항공 및 금형 분야에서 널리 사용되고 있다5). 또한 분말을 활용한 금형 제작 방법으로는 크게 두 가지로 볼 수 있다. 첫 번째로 분말야금법을 사용하는 방법이다. 예를 들어 STS630 소재를 사용하여 금형을 제작할 때, STS630 합금 분말을 사용하는 Pre-alloyed 방식과 각각의 원소재 분말을 정량에 맞추어 혼합하는 Elemental powder 방식이 있다. 앞서 보고된 자료에서는 분말을 준비 후 용융점보다 조금 낮은 온도에서 열처리를 진행하면 분말의 계면이 조금씩 녹아 분말끼리 붙는 소결 공정을 통해 금형을 제작하는 방법이 있다. 그 후 기계적 가공 방식(밀링, 절삭 등)을 통해 금형의 형태를 가공하는 방식이다6). 두 번째로 3D 프린팅으로 STS630 분말을 사용하여 제작하는 방법으로는 PBF, DED 등의 방법이 있으며 가상으로 설계된 금형 디자인으로 분말을 적층하여 제조하기 때문에 위에서 언급했듯이 복잡한 형상 구현이 가능하고 냉각 시스템 적용이 가능하다. 또한 불필요한 소재의 소모가 적고 실험 공정 변수를 조절함으로써 다양한 특성을 가진 제품을 만들 수 있다.

2. 실험 재료 및 방법

2.1 실험 재료

본 연구에서 사용한 소재는 질소 가스 분사 방식으로 제조된 45~150 ㎛ 크기의 STS630 소재를 사용하였다. STS630 소재는 석출경화형 스테인리스강(Precipitation hardening stainless steel)의 대표적인 소재로서 가공이 쉽고 강도, 연성, 내식성이 우수한 장점이 있다. 또한 석출물을 형성시켜 강화하기 때문에 Cu, Nb 등이 첨가되고 고온에서 퀜칭 할 필요가 없기 때문에 변형이 적어 치수정밀도, 내마멸성이 요구되는 화학공장의 밸브류, 금형소재로 활용 된다7). 금형 소재로 많이 사용되는 STS630 소재를 사용하여 적층 제조 공정 변수에 따른 기계적 성능을 평가하고자 한다. Table 1,2Fig. 1,2에 STS630 소재의 특성을 나타내었다.
Table 1
Chemical composition of the STS630 metal powder (wt.%)
Elements Component Elements Component
Cr 16.6 O 0.09
Ni 4.2 N 0.08
Cu 4.0 C 0.024
Mn 0.6 P 0.021
Si 0.5 S 0.004
Nb 0.19 Fe Bal.
Mo 0.09
Table 2
Physical characteristics of the STS630 metal powder
Type Size(㎛) Atomise gas Tap density (g/cm3) Flow rate (sec/50g)
STS630 45~150 Nitrogen 4.6 19.56
Fig. 1
SEM shape image of 45~150 ㎛ the STS630 metal powder
jwj-39-6-590gf1.jpg
Fig. 2
Particle size distribution of 45~150 ㎛ the STS630 metal powder
jwj-39-6-590gf2.jpg

2.2 실험 방법

Fig. 3의 장비를 사용하여 DED 적층 실험을 진행하였다. 적층 실험을 위해 모재에 원 라인으로 Fig. 4에 보여지는 것처럼 적층 실험을 하였다. 본 연구에서 공정 변수는 빔 사이즈(Beam size), 분말공급량(Powder feeding rate), 이송 속도(Laser header moving speed), 레이저 출력(Laser power)으로 Table 3에 나타내었다. 각각의 공정 변수 실험 후 단면 특성을 비교하기 위해 시편을 20~25 mm 크기로 컷팅하였고, 아크릴 수지를 사용하여 30 mm 크기로 핫마운팅을 진행하였다. 그리고 #180, #400, #800, #1200 사포로 폴리싱을 진행하였다. 그 후 에탄올과 질산의 95 : 5 비율로 Nital 5% 용액을 제조하였고 표면 에칭을 진행하였다. 각각의 공정 변수에 따른 단면을 광학현미경으로 분석하였다.
Fig. 3
3D Laser processing machine (DED, TRUMPF)
jwj-39-6-590gf3.jpg
Fig. 4
DED additive manufacturing test
jwj-39-6-590gf4.jpg
Table 3
DED process parameter
DED process parameter
Beam size 1 mm
Powder feeding rate 3, 6 g/min
Laser header moving speed 500, 1000, 1500 mm/min
Laser out power 500, 700, 900 W
DED process parameter
Beam size 1.5 mm
Powder feeding rate 3, 6 g/min
Laser header moving speed 500, 1000, 1500 mm/min
Laser out power 1200, 1500, 1800 W
Table 4
Optimal DED process parameter
Parameter Method DED
Beam size 1 mm
Powder feeding rate 6 g/min
Laser header moving speed 500 mm/min
Laser power 500 W

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 레이저 빔 조사의 이동속도별 적층성능 평가

실험 결과는 Beam size(1, 1.5 mm), 분말 공급량(3, 6 g/min)에 따라 Table 3에서 제시한 공정변수를 변화시키면서 진행하였고 Fig. 5는 적층 실험 결과에 대한 시편의 단면을 분석한 결과이다.
Fig. 5
Cross-section of deposition by laser header moving speed and powder feeding rate
jwj-39-6-590gf5.jpg
실험 결과를 보면 우선 빔 사이즈 1 mm, 분말공급량 3 g/min 공정 변수의 경우 동일한 레이저 출력에서 이송속도가 빨라짐에 따라 적층물의 높이가 감소하는 경향이 나타나는데 이는 레이저 출력에 비해 이송속도가 빨라 분말 공급이 부족했을 것이다. 동일한 이송속도에서 레이저 출력이 증가하면 적층 높이가 증가하는 경향이 나타났다. 레이저 출력이 증가하면서 분말이 더 많이 적층되어 높이가 증가하는 것으로 판단되며 분말 공급량 6 g/min 공정에서도 비슷한 결과를 얻을 수 있었다.
다음으로 빔 사이즈 1.5 mm, 분말공급량 3 g/min 공정 변수의 경우에도 이송속도가 증가함에 따라 적층 높이는 감소하는 결과를 얻었고, 동일한 속도에서 출력에 따라 적층높이가 감소하는 부분과 증가하는 부분이 나타났고, 6 g/min 변수에서도 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 동일한 속도에서 출력에 따라 적층 높이가 변하는 부분에 대해서는 출력이 낮은 부분에서는 높이가 증가하고, 출력이 높은 부분에서는 높이가 감소하는 경향을 확인하였다. 이는 낮은 이송속도와 낮은 출력에서는 적층 높이가 증가하는 경향이 있지만 높은 이송속도의 분말공급량이 부족하여 적층 높이가 낮아지는 것으로 판단된다.
레이저 빔 사이즈 1 mm, 분말공급량 3 g/min의 조건에서 적층 높이에 비해 용융풀의 범위가 넓은 것을 확인할 수 있다. 이는 레이저 출력에 비해 분말 공급이 적어 발생한 문제로 생각된다. 하지만 분말공급량 6 g/min 조건에서도 비슷한 경향을 보이지만 레이저 출력 500 W에서는 다른 조건에 비해 다른 단면 특성이 나타났다. 다른 조건에 비해 적층 높이와 용융풀 범위가 비슷하게 나타났으며 적층 효율이 가장 뛰어난 것을 알 수 있다.
레이저 빔 사이즈 1.5 mm, 분말공급량 3 g/min에서도 적층 높이에 비해 용융풀의 범위가 넓은 것을 확인할 수 있다. 이것 또한 레이저 출력에 비해 분말공급량이 적어 적층되지 않고 모재가 녹은 상황이 발생하여 적층 높이가 낮아진 것을 알 수 있다. 6 g/min 조건에서도 1800 W를 제외한 1200, 1500 W에서도 적층 높이가 낮은 것을 확인할 수 있었고 적층 효율이 좋지 않을 것을 확인하였다. 하지만 1800 W의 경우 적층 높이와 용융풀 범위가 비슷하게 나타났고 적층 효율이 뛰어난 것을 확인하였다.

3.2 적층 공정 변수에 따른 실험 고찰

본 연구에서 사용한 금속분말(STS630) 소재에 대한 실험에서 공정변수 빔 사이즈(1, 1.5 mm), 분말공급량(3, 6 g/min)에 따른 적층 높이에 대한 결과를 Fig. 6에 그래프로 나타내었다.
Fig. 6
Comparison of deposition height by beam size and powder feeding rate
jwj-39-6-590gf6.jpg
그래프에서 확인할 수 있는 것으로 1 mm 빔 사이즈의 경우 분말 공급량이 증가할수록 적층 높이가 증가하는 것을 확인할 수 있고, 금속분말 STS630 소재의 경우에 분말공급량이 증가하면 적층 효율이 좋아질 것으로 예상된다. 1.5 mm 빔 사이즈의 경우에도 분말공급량이 증가할수록 증가하는 경향이 나타났으며, 모든 조건에서 동일 출력 대비 분말공급량이 많을수록 적층 높이가 증가하는 경향을 볼 수 있다.
또한 빔 사이즈, 분말공급량 등의 적층 공정 변수에 따른 희석률을 Fig. 8 그래프로 나타내었다.
희석률은 금속 분말과 모재 사이의 혼합 비율로서 다음 식과 같이 정의된다.
(1)
d=AmixAmix+Ac×100%hmixhmix+hc×100%.
위의 식을 통해, Ac : 기판 표면 상부 적층 면적, hc : 높이, Wc : 폭, Amix : 기판 표면 하부 혼합 면적, hmix : 높이를 나타내고 있다8).(Fig. 7)
Fig. 7
Schematic view of the cross section of a clad track8)
jwj-39-6-590gf7.jpg
Fig. 8
Comparison of dilution height by beam size and powder feeding rate
jwj-39-6-590gf8.jpg
본 연구에서 적층 공정 변수에 따른 단면 분석 데이터를 식 (1)에 대입하여 분석을 진행하였고 혼합된 희석률을 통해 경향을 파악하였다9).
일반적으로 희석률이 매우 낮으면 적층 소재와 모재간의 계면 결합이 약하고 적층물에 대한 품질이 저하된다. 또한 희석률이 지나치게 높을 경우에는 분말공급량에 비해 적층율이 감소하는 문제가 있다. 이로 인해 적절한 희석률이 필요하다10). DED 적층 방식에서는 레이저로 인해 모재와 분말이 녹는 영역에서는 적층 분말의 순도가 중요하기 때문에 희석되는 영역의 크기가 비교적 작은 것이 유리하다11). 본 실험에서 이송속도가 증가하면서 모재와 분말이 희석되는 부분의 영역이 크게 나타나는 것을 알 수 있고, 단면 분석을 통해 희석률이 가장 낮은 조건을 찾을 수 있다.
빔 사이즈 1 mm, 분말공급량 3 g/min 공정 변수의 경우 동일한 출력에서 이송 속도가 증가함에 따라 희석률이 높은 것을 알 수 있다. 동일한 이송 속도에서 레이저 출력이 높아질수록 희석률이 높아지는 경향을 확인하였다. 이는 분말공급량 6 g/min에서도 같은 경향이 나타나고 있다.
빔 사이즈 1.5 mm 공정 변수의 경우에도 동일한 출력에서 이송 속도가 증가함에 따라 희석률이 증가하는 것을 알 수 있다. 결과적으로 빔 사이즈 1 mm, 분말공급량 6 g/min, 레이저 출력 500 W, 이송속도 500 mm/min 공정조건에서 분말 적층 높이와 희석률의 비율이 가장 좋은 조건으로 판단된다.

4. 결 론

DED 적층 공정변수(빔 사이즈, 분말공급량, 이송속도, 레이저 출력)에 따른 금속분말(STS630) 적층 실험의 결과는 다음과 같다.
  • 1) 본 실험에서 설정한 공정 변수를 통해 다양한 단면 특성을 확인할 수 있었다.

  • 2) 공정변수에서 분말공급량이 증가하는 경우 적층 높이가 증가하는 경향이 확인되었고, 이송속도가 증가할수록 적층 높이는 낮아지는 경향을 확인하였다.

  • 3) DED 공정에서는 적층 분말의 순도가 중요하기 때문에 모재와의 분리가 되지 않을 정도의 낮은 희석률이 유리하다.

  • 4) 레이저 공정 변수에 따라 적층 높이 및 희석률 차이를 보였으며, 희석률과 적층 높이를 고려한다면 빔 사이즈 1 mm, 분말공급량 6 g/min, 이송속도 500 mm/min, 레이저 출력 500 W가 최적의 조건이라 판단된다.

감사의 글

이 연구는 산업통상자원부의「금속 3D프린팅 산업기술고도화 및 기술지원 플랫폼 개발」사업 및 과학기술정보통신부의「DED 및 PBF 방식의 금속 3D 프린팅 공정품질 향상을 위한 모니터링 기법 및 소프트웨어 개발」과제의 지원을 받아 수행되었음.

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