1. 서 론
3D프린팅은 3차원의 가상 모델을 이용하여 제품을 제작하는 기술로 적층 제조(AM, Additive Manufacturing)로 알려져 있다. 3D프린팅에 사용되는 소재는 분말, 선재, 판재, 액상의 형태로 금속, 세라믹, 폴리머 및 복합소재를 사용하여 항공·우주, 자동차, 의료 분야 등의 다양한 산업에 적용되고 있다1). 3D프린팅 이전의 전통적인 방법으로는 분말야금, 밀링 등이 있다2). 전통적인 방법으로는 복잡한 형상의 제품을 제작하기에 어려움이 있고 여러 부품으로 제작 후 조립하는 방식으로 제품 제작 시간이 길고, 소모되는 소재의 양도 많다. 3D프린팅의 기술이 발전함에 따라 복잡한 형상을 자유롭게 제작할 수 있어 제작 시간이 단축되고, 소재 소모를 줄일 수 있는 장점으로 위의 문제점을 해결할 수 있다3).
앞서 언급하였듯이 3D프린팅이 적용되는 대표적인 산업의 경우 산업 분야에 맞는 제품을 생산하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 항공·우주 산업의 경우 최첨단 기술이 복합적으로 작용하여 고부가가치를 창출하는 첨단산업으로 성능 개선, 중량 절감의 목표로 경량소재를 이용한 제품 생산에 주력하고 있다. 최근 전기자동차로 많은 이슈가 있는 자동차 산업에서도 중요한 부품인 배터리 성능, 수명 향상을 위한 차체 경량화 연구가 진행되고 있고, 3D프린팅 기술을 이용하여 연구개발 진행 중이다. 앞서 언급한 산업들의 경우에는 3D프린팅 기술을 적용하여 성능 개선, 중량 절감을 위해 이용되고 있는 것을 알 수 있다4). 마지막으로 의료 분야의 경우에는 인체 결합, 인체 삽입 등의 특수한 상황에서 적절한 소재를 이용하여 사용되고 있다. 이러한 특수한 상황에서는 고관절, 무릎, 두개골 등 뼈를 대체할 수 있는 기술로 3D스캔을 통하여 환자 맞춤형으로 제품을 제작할 수 있다. 기존 규격화된 제품을 제작하는 것이 아닌 환자 인체에 맞는 부분을 직접 제작하기 때문에 시간, 비용 등의 절감 효과를 볼 수 있어 의료 분야에서의 3D프린팅 기술은 계속해서 발전할 수 있다5).
금속 3D프린팅의 경우 대표적으로 PBF, DED 방식으로 나눌 수 있다. PBF 방식은 금속 분말을 한층 씩 쌓으면서 레이저 또는 전자빔을 이용하여 적층하는 방식으로 형상이 복잡한 부품이나 소형 부품을 제작하는데 많이 사용되며 가장 많이 사용되는 3D프린팅 기술이다6). DED 방식은 PBF 방식과 달리 재료의 라인별 증착을 통해 고르지 못한 기판에 임의의 형상을 제작할 수 있는 장점이 있다. 또한 DED 방식은 다양한 재료의 연속 및 동시 증착을 통해 원하는 특성을 가진 이종 재료를 적층할 수 있다7). 하지만 적층물의 크랙, 기공, 결함 등을 제어하기 위해서 공정 최적화가 필요하다.
DED 방식을 통해 제조된 제품의 특성은 레이저 출력, 분말 공급량, 헤드 이동 속도, 가스 유량 등 다양한 파라미터에 영향이 있다.8) 공정 최적화를 위해 적층물의 단면을 분석하여 적층 소재의 높이, 희석률을 계산할 수 있다. 희석률의 경우 모재와 적층 소재가 희석되는 영역과 적층 높이의 비율로 계산될 수 있고, 이를 계산하여 최적화 공정을 분석할 수 있다. 또한 경도, 내마모성, 인장, 압축 등의 시편을 제작하여 기계적 물성을 비교 분석으로 판단할 수 있다. 이전에 연구된 자료에 의하면 DED 공정의 희석률은 30~40% 정도의 비율이 적절하다고 보고되었고, 최적의 공정을 찾기 위해 많은 연구가 진행되고 있다9,10,11). 추가적으로 에너지 밀도를 계산하여 적층 효율을 분석할 수 있다. 어느 수치보다 미만의 값에서는 적층이 불가하고, 어느 수치 이상에서는 적층 효율이 떨어지는 것을 판단할 수 있기 때문에 DED 적층 공정 테스트 전 확인이 필요하다.
Co-Cr 합금의 경우 의료용 소재로 많이 사용된다. 생체 삽입이라는 특수한 상황에서 인체에 무해한 재료를 사용해야하기 때문에 소재 선정에 매우 한정적이다. Ti, Co-Cr 등은 대표적인 생체재료로 알려져 있다. Ti의 경우에는 치과용 임플란트 등에 많이 사용되고 있으며, Co-Cr의 경우에는 우수한 기계적 성질, 높은 내식성 및 높은 내마모성으로 효과적인 금속 생체 재료로 알려져 있다12). 생체 삽입 제품인 인공비구컵의 경우에는 현재 DED 방식의 금속 3D프린팅을 이용하여 제작되고 있다. 인공비구컵은 퇴행성 병변, 골절, 류마토이드, 종양 등으로 손상된 엉덩이 관절 비구부를 대체하는 제품이다. DED 방식의 3D프린팅을 이용하여 제품 표면에 뼈와 비슷한 미세한 공극을 형성함으로써 공극 사이로 뼈가 자라 견고하게 고정될 수 있도록 하였다. 이는 골융합도를 증가시켜 반영구적으로 사용이 가능하도록 설계가 된 것을 알 수 있다. DED 방식의 3D프린팅으로 구현이 가능한 기술은 다양한 산업에서도 계속해서 사용될 것이다.
본 연구에서는 Co-Cr 합금 소재를 이용하여 DED 방식의 3D프린팅 최적화 공정을 연구하고자 한다. 적층물의 단면 분석, 에너지 밀도 비교를 통해 실험 공정을 비교 분석하였다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료
본 연구에서 사용한 소재는 불활성 가스 분사 방식으로 제조된 Co-Cr 합금이다. Co-Cr 합금 소재는 의료용 생체 재료의 대표적인 소재로 틀니를 지지하는 구조물, 치과 교정에 이용되고 있으며 우수한 강도, 내식성, 생체적합성의 특징이 있다. 기계적 물성이 우수한 Co-Cr 합금 소재를 이용하여 적층 공정 변수에 따른 적층 높이, 희석률, 에너지 밀도를 비교 분석하고자 한다. Table 1, 2는 Co-Cr 합금 분말의 성분 및 기계적 물성을 나타내었고, Fig. 1, 2에는 형상 및 입도 분포도를 분석하여 나타내었다.
Table 1
Chemical composition of the Co-Cr alloy powder (wt.%)
| Element | Co | Cr | Mo | Ni | Fe | C | Mn | Si | N |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Component | Bal. | 28.5 | 6.0 | <0.5 | <0.75 | <0.35 | <1.0 | <1.0 | <0.25 |
2.2 실험 방법
DED 적층 공정 최적화 연구를 위해 Sandvik 社의 Co-Cr 합금 분말을 준비하였다. 모재의 경우에는 SM45C 일반강을 사용하였다. SM45C는 열처리와 경화 처리를 통해 기계적 강도가 요구되는 부품의 재료로 많이 사용되고 있으며, 가격이 저렴하고 가공성이 뛰어난 장점이 있다. Fig. 3에 나타낸 장비, 주사전자현미경(COXEM 社)을 이용하여 분말의 형상을 관찰하였고, 입도분석기(HORIBA 社)를 이용하여 입도 분포도를 확인하였다.
Fig. 4는 Co-Cr 합금을 적층하기 위해 이용한 DED (TRUMPF 社, TruLaser Cell 3000) 장비이다. 본 연구의 적층 공정 변수로 빔 사이즈는 1mm로 고정하고 레이저 출력, 분말공급량, 이송 속도로 설정하였고 Table 4에 나타내었다. 우선 분말 공급 장치를 이용한 feeding으로 분말 공급 조건을(3, 6 g/min) 맞추었고, 각 조건에 맞게 100 × 50 mm의 모재에 원라인으로 분말 적층 테스트를 진행하였다.
Table 3
SM45C mechanical properties
| SM45C mechanical properties | |
|---|---|
| Yield strength | 35 kgf/mm2 |
| Tensile strength | 45 kgf/mm2 |
| Elongation | 20 % |
| Hardness | 167 ~ 229 HB |
Table 4
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 |
각각의 공정 변수의 단면 분석을 위해 미세절단기를 이용하여 15~20 mm 크기로 제작하였다. 그리고 아크릴 수지를 이용하여 30 mm 크기로 마운팅을 진행하였고, #400, #800, #1200, #2400, #4000 사포를 이용하여 표면 폴리싱을 진행하였다. 시편 단면의 거울면을 확인 후 적층 높이, 열영향부를 확인하기 위해 에탄올:질산 = 90:5 비율로 Nital 5% 용액을 제조하여 에칭을 진행하였다. 그리고 광학현미경을 이용하여 적층 단면의 적층 높이, 열영향부 분석을 통해 각 공정 변수별 적층 효율을 판단할 수 있는 희석률을 계산할 수 있다. 추가로 최적의 공정 조건을 토대로 에너지 밀도를 계산하여 Co-Cr 합금의 적층 효율을 분석할 수 있다. 기본적으로 3D프린팅 후 가장 중요한 부분으로 미세 조직 분석을 통해 제품에 기공, 크랙과 같은 결함 유무를 판단해야한다. 본 연구에서도 최적의 공정 변수로 판단하는 조건을 정하여 내부 기공, 결함 등을 확인하였다. 그리고 적층부-희석부-모재의 각 영역에서 성분 함량을 관찰하기 위해 SEM-EDS 분석을 진행하였다. 추가로 Mapping 분석을 통해 각 영역의 성분을 쉽게 구분할 수 있었고, 성분 함량의 변화를 관찰 할 수 있었다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 적층 높이 비교에 따른 적층 성능 평가
Fig. 5는 각 공정 조건별 단면을 촬영한 결과이다. 레이저 출력, 헤드 이송 속도, 분말 공급량에 따라 적층 높이, 희석 범위, 열영향부를 확인할 수 있다. 그림을 보면 분말 공급량 3 g/min 조건에서는 적층 높이에 용융풀이 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 쌓이는 높이에 비해 모재와 더 많이 혼합되는 것을 알 수 있으며 적층 효율이 떨어지는 것으로 판단할 수 있다. 하지만 6 g/min 조건에서는 적층 높이와 용융풀의 비율이 비슷한 조건을 확인할 수 있다. 앞서 언급한 적층 높이와 희석되는 범위의 비율과 비교하였을 때 본 연구의 실험 조건에서는 최적의 조건으로 생각할 수 있다.
Fig. 6은 각 공정에 따른 적층 높이를 수치화하여 그래프로 나타내고 있다. 분말 공급량 3, 6 g/min 조건에서 모두 동일하게 레이저 출력이 증가할수록 적층 높이가 상승하고, 헤드 이동 속도가 증가할수록 감소하는 경향을 확인하였다. 이는 레이저 출력이 높으면 적층 소재가 더 많이 녹아 적층되고, 헤드 이동 속도가 느리면 더 많은 에너지를 받기 때문에 적층 높이가 높다. 하지만 많은 에너지를 받은 만큼 용융풀의 범위가 넓은 것을 볼 수 있다. 헤드 이동 속도 500 mm/min 조건의 적층 높이를 보면 분말 공급량 차이에 따라 150 ~ 200 ㎛ 정도의 차이가 있다. 분말 공급량 3 g/min 조건에서 가장 높이 쌓인 조건은 254 ㎛로 형성된 용융풀의 범위에 비해 현저히 적은 것을 알 수 있으며, 이는 추가 적층 시 적층 효율이 매우 떨어질 것으로 판단하고 있다. 그래서 적층 높이와 용융풀의 범위 비율이 비슷한 조건(분말 공급량 : 6 g/min, 헤드 이동속도 : 500 mm/min, 레이저 출력 : 500, 700, 900 W)이 최적의 조건으로 생각하고 있다.
고에너지의 레이저를 조사할 시 열원의 에너지는 모재와 분말에 닿기 전 일부분 손실되거나, 모재의 표면에 반사 또는 흡수되어 열로 방출된다. Fig. 7은 금속 소재의 흡수율을 나타낸 그림이다. 이 그림을 보면 레이저 파장에 따른 흡수율이 다른 것을 확인할 수 있으며 흡수율이 높으면 에너지 손실을 낮출 수 있기 때문에 적절한 파장의 레이저를 사용해야 하지만 흡수율이 낮은 경우에는 에너지 손실이 커 더 많은 에너지를 공급하여야 한다. 흡수된 에너지의 경우에는 모재와 분말을 가열하며, 밀도가 높다면 용융풀을 형성시킨다. 연속적으로 적층하기 위해서는 적절한 에너지가 공급되고 용융풀이 형성되어야 한다. 하지만 과도한 에너지가 집중될 경우에는 모재 또는 분말이 기화할 수 있으며, 이는 적층물에 부정적인 영향을 미칠 수 있다13).
3.2 희석률 비교에 따른 적층성능 평가
Fig. 8은 각 공정의 희석률을 계산하여 수치화한 그래프이다. 희석률은 모재와 적층 분말이 어느 정도 섞이는지 나타내는 값으로 적층 높이와 용융풀의 범위를 계산하였다. 희석률은 아래의 계산식을 통해 다음과 같이 정의된다.
d : 희석률, Amix : 모재 표면 하부 혼합면적, Ac : 모재 표면 상부 적층 면적, hmix : 모재 표면 하부 높이, hc : 모재 표면 상부 높이를 나타내고 있다14,15).
위의 계산식을 이용하여 각 공정 별 희석률을 계산하였다. 희석률의 경우 값이 크면 모재와 적층 소재간의 혼합량이 많아 적층 높이가 감소하여 적층 효율이 떨어진다. 반대로 희석률 값이 낮으면 모재와 적층 소재간의 결합력이 약해 쉽게 떨어질 수 있는 문제점이 있다. 앞서 선행 연구된 자료에 의하면 희석률의 값은 30~40 %가 적절한 것으로 적층 높이와 용융풀 범위의 비율이 6:4, 7:3으로 확인할 수 있다9,10,11).
Fig. 8 그래프를 보면 분말 공급량 3 g/min 조건에서는 대략 70 ~ 90 % 사이의 값을 확인할 수 있다. 이는 적층 높이에 비해 용융풀의 범위가 넓은 것을 의미하며, 적층 효율이 떨어지는 것으로 판단하였다. 분말 공급량 6 g/min 조건에서도 희석률은 50 ~ 80 % 사이의 값을 나타내고 있지만 본 실험에서 가장 낮은 희석률을 포함하고 있다. 본 실험에서 가장 적층 효율이 뛰어난 조건으로는 적층 높이와 용융풀 범위의 비율이 5 : 5 정도의 값을 나타내고 있는 분말 공급량 : 6 g/min, 헤드 이동속도 : 500 mm/min, 레이저 출력 : 500 W로 최적의 공정으로 생각된다. 하지만 본 실험에서 설정한 조건의 가장 낮은 희석률은 52 % 이지만 선행 연구에서는 30~40 %를 적절하다고 발표되었다. 희석률을 낮출 수 있는 방법은 적층 높이를 높이는 방법이 있다. 이는 분말 공급량을 늘리면 희석률은 낮아질 것이지만 적층 효율을 따져보면 적절한 공급량도 필요하다.
3.3 에너지 밀도 비교에 따른 적층성능 평가
Fig. 9는 실험 공정에 따른 GED(Global Energy Density) 값을 수치화한 그래프이다. GED 값은 DED 공정에서 적층이 가능한지, 적층 효율이 좋은지 판단할 수 있는 변수로서 적층 단면과 같이 비교분석이 가능하다. GED 값의 아래의 식과 같이 정의된다.
ω : global energy density, P : 레이저 출력, s : 이송 속도, d : 빔사이즈로 나타낸다6,16). 위의 식을 이용하여 각 공정 별 에너지 밀도를 비교하였을 때 레이저 출력이 증가할수록 높아지며, 헤드 이동속도가 증가할수록 낮아지는 것을 확인하였다. 이는 출력이 높고 속도가 낮을수록 가해지는 에너지가 많은 것을 나타내는 것으로 일정 수준의 에너지 밀도 값이 중요하다. Fig. 8과 Fig. 9를 비교하였을 때 분말공급량 3 g/min 조건에서는 희석률이 모두 70 % 이상으로 적층 효율이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 하지만 6 g/min 조건에서 50 % 정도의 희석률을 나타내는 조건이 있다. 이는 분말 공급량이 증가하면 희석률이 낮아질 수 있는 것으로 판단된다. 하지만 분말 공급량을 너무 많이 증가시킬 경우 불필요한 소재 소모가 발생하기 때문에 적절한 공급량도 중요하다.
Fig. 10은 분말 공급량 6 g/min 기준으로 에너지 밀도에 따른 적층 단면 사진이다. (a) 108, (b) 60, (c) 54 J/mm2 중에서 (a), (c)의 경우 적층 높이에 비해 용융풀의 범위가 큰 것을 알 수 있으며, 각각 조건의 희석률은 63 %, 73 % 이다. 하지만 (b)의 경우에는 적층 높이와 용융풀의 범위가 비슷한 비율인 것을 확인할 수 있고, 이 조건의 희석률은 52 % 이다. 위의 내용을 토대로 비교하였을 때 에너지 밀도 108 J/mm2 이상에서는 용융풀의 범위가 더 커질 것으로 판단되며, 희석률 또한 증가할 것으로 예상되고, 에너지 밀도가 높으면 적층 소재가 산화될 수 있는 문제점이 있기 때문에 적층 효율이 떨어질 것으로 판단하고 있다.. 그리고 에너지 밀도 54 J/mm2 이하의 경우에는 소재의 적층 높이가 현저히 낮기 때문에 적층 효율이 떨어진다. 본 실험에서 에너지 밀도 108, 54 J/mm2 사이의 값을 나타내는 조건의 값은 60, 84 J/mm2이며 희석률 또한 52, 59 %로 낮은 편으로 다른 조건에 비해 적층 효율이 뛰어나다.
Fig. 10
Manufacturing cross section according to powder feeding rate (6 g/min), (a) 108 J/mm2, (b) 60 J/mm2, (c) 54 J/mm2
본 실험을 토대로 Co-Cr 합금의 에너지 밀도에 따른 적층 효율을 비교하였을 때 60~84 J/mm2 사이 값이 가장 우수할 것으로 판단하고 있다. 분말 공급량을 늘리면 희석률이 낮아질 수 있지만 너무 많이 늘리게 되면 불필요한 소재 소모가 심해 적층 효율이 떨어질 것으로 판단되어 분말 공급량을 조절하게 되면 최적의 적층 효율이 나타날 것으로 생각된다.
3.4 미세조직 분석을 통한 적층성능 평가
Fig. 11과 Table 5는 60~108 J/mm2 사이의 에너지 밀도를 가지는 조건의 미세조직 및 성분분석을 진행한 결과이다. 적층부의 기공 또는 크랙 등을 관찰한 결과, 결함의 경우에는 존재하지 않았으나 기공의 경우에는 수 ㎛ 급의 기공을 확인하였다. 3D프린팅 적층물 제작 시 의도하지 않는 내부 미세 기공이 존재하면 적층물의 기계적 물성이 큰 영향이 미칠 수 있다17). 하지만 본 실험의 경우 관찰되는 기공의 수가 적어 기계적 물성에 영향이 미미할 것으로 판단된다. 추가로 적층부-희석부-모재 간 각 영역에서의 성분 함량 변화를 분석하였다. 모든 조건에서 적층부에 Fe 함량이 증가하여 희석된 것을 확인할 수 있다. 출력이 높아질수록 희석된 부분의 Fe 함량이 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 더 많이 에너지로 인해 용융풀의 범위가 커져 모재와 적층 분말이 더 많이 희석된 것을 의미한다. 적층물의 성분 함량 변화는 물성에 큰 영향을 미치기 때문에 적층 시 고려되어야한다. 하지만 DED의 경우 희석 영역은 불가피하므로 적절한 희석률을 가지는 조건을 도출하는 것이 중요하다.
Table 5
Component content analysis for area
4. 결 론
본 실험에서 설정한 적층 공정변수(레이저 출력, 이송 속도, 분말공급량)에 따른 Co-Cr 합금 분말의 실험 결과는 다음과 같다.
1) 적층 높이에 따른 적층 성능평가 결과로 분말 공급량이 많을수록, 헤드 이동 속도가 늦을수록 높이가 증가하는 경향을 확인하였다.
2) 희석률에 따른 적층 성능평가 결과로 적층 높이와 용융풀 범위가 5 : 5 비율을 나타내는 조건을 확인하였다.
3) 본 실험에서 도출한 최적의 공정은 분말 공급량 6 g/min, 헤드 이동 속도 500 mm/min, 레이저 출력 500 W이며, 희석률은 52 %이다.
4) 에너지 밀도에 따른 적층 성능평가 결과로 108 J/mm2 이상의 값에서는 적층 높이에 비해 용융풀의 범위가 너무 크게 형성되어 적층 효율이 떨어지고, 54 J/mm2 이하의 값에서는 적층 높이가 너무 낮아 적층 효율이 떨어진다.
5) 에너지 밀도 60~84 J/mm2 사이의 조건이 적층 효율이 가장 좋을 것으로 생각하고 있으며, 본 실험에서 설정한 분말 공급량 조건보다 더 많은 분말을 공급할 시 희석률이 낮아질 수 있으며 적층 효율이 우수할 것으로 판단되지만 불필요한 소재 소모를 고려하였을 때 분말 공급량에 따른 추가적인 실험이 필요하다.
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