잔류응력 분석을 위한 금속 3D Printing의 열-구조 연동 해석 모델링과 설계

Abstract

금속 3D Printing 공정은 전통적인 가공방식을 대신하여 새로운 가공 방법으로 주목받고 있다. 3D Printing 공정은 3차원 형상을 일정한 두께 단위로 가공, 적층하여 형상을 형성하는 방법이다. 이러한 가공방식은 오래전에 개발이 되었지만, 가공기술의 발달 및 Laser, E-beam과 같은 고밀도 에너지 기술들과 함께 금속 소재의 적용이 가능해지면서 다양한 가능성을 갖게 되었다. Metal 3D Printing은 다양한 연구에도 불구하고 한계점을 갖고 있다. 기존의 연구를 통해 가공 정밀도 및 가용 부피 등의 연구가 진행되었으나, 분말이 순간적으로 용융 후 응고되는 과정에서 복잡한 열 구배와 잔류응력을 형성하게 된다. 이러한 문제는 소재에 변형과 뒤틀림을 발생시킨다. 이러한 현상을 막거나 예측하여 보완하는 연구들이 필요하나, 가공 현장의 실제적인 측정이나 실시간 모니터링이 어려워 최종 제품을 바탕으로 판단해야 한다. 이런 이유로, 관련 내용에 대한 수치 해석적 연구가 필수적이며 특히 3D Printing 과정에서 발생하는 잔류응력을 모사하기에 적합하다. Finite Element Method를 사용하여 기존에 확인하지 못했던 가공 상황에서의 잔류응력의 형성 구조와 온도 차에 따라 발생하는 소재의 변형량 및 균열의 발생 과정을 확인할 수 있다. 또한, 3D Printing의 특성상 다양한 공정 변수가 상호 간 영향을 주기 때문에 FEM과 같은 방법이 공정 변수의 차이에 따른 변화를 연구하기 용이하다. 본 연구에서는 금속 3D Printing 공정 중 Powder Bed Fusion(PBF) 공정을 구현하였고 Laser에 의해 용융, 응고되는 현상을 모사하였다. 보다 정확한 해석결과를 위해 열-구조 연동 해석 모델을 사용하여 거동방정식을 구성하였고 양방향 연계를 위해 열탄성 모델도 적용하였다. 또한 분말, 용융, 고체 상태를 모두 고려하기에 적합한 물성을 입력하여 온도의 변화 및 물질 상태 변화를 고려하여 구성하였다. 해석 모듈에는 PBF 공정을 충분히 모사되도록 사전에 계획된 Laser path를 따라 열원이 이동하는 Subroutine 코드를 작성하였다. 이를 통해 실제 공정에서 적용되는 상황 및 변수에 따른 현상을 구체적으로 모사할 수 있다. 공정조건으로는 Laser 출력, 속도, 빔 형상 등이 있으며, Path와 관련하여 예열 온도 및 입열, 작동 시간 등에 대한 차이도 해석적으로 모사할 수 있다. 이렇게 구성한 해석 모델에 대해 10층의 Layer에 직선 Path를 갖는 모델로 기초 해석을 진행하여 해석의 적합성을 확인하였다. Laser 입열에 따른 온도 상승 및 소재 변화를 확인하고 Laser pattern에 따른 변형을 확인하였다. 이 결과를 기존의 논문에서 연구된 내용과 비교하여 해석 모델이 적합하게 잘 구성되었음을 확인하였다. 이어서 5 mm * 5 mm 영역의 면적에 대해 Laser path를 구성하고 면적 해석을 진행하였다. 총 3개 Layer가 적층되도록 구성하였고, Path strategy의 차이에 의해 발생하는 현상들을 확인하고 비교하였다. 잔류응력의 영향을 알아보기 위해 Rotation angle의 차이도 확인하여 비교하였고, 180°, 90°, 67°, 45° 조건에 대해 해석을 진행하고 결과를 비교하였다. Laser path에 따라 잔류응력의 발생 양상이 크게 달라지는 것을 확인하였고, 모재에 가해지는 응력에도 차이가 발생함을 확인하였다. 해석 모델의 신뢰도를 확인하기 위해 실제 시편을 출력하여 비교, 검증하였다. 5 mm * 5 mm * 5 mm 크기의 시편을 인쇄하여 표면 및 내부 CT 촬영을 하여 소재의 가공 상태를 확인하였고, 내부 기공의 양과 균열을 양상을 분석하였다. 해석결과와 유사하게 180° 시편의 경우 하부 균열이 발생한 것을 확인하였다. 또한, 시편 표면의 잔류응력을 XRD로 측정하여 분석하였다. 해석결과에서도 동일한 면적과 비교하여 약 7.86 %의 오차가 발생함을 확인하였고, 이를 바탕으로 본 연구의 타당성을 검증하였다. 이후 해석결과를 분석하여 균열이 시작되는 원인에 대해 분석하였다. 소재의 온도와 이에 따른 물성 정보를 바탕으로 특정 위치의 Element가 과도한 응력을 받아 파괴된 것을 해석적으로 확인하였다. 이러한 원인으로는 레이저 입열에 의한 내부 잔류응력과 상부층의 적층에서 발생하는 인장 응력이 부가되어 균열이 발생한 것으로 판단하였다. Laser pattern에 따라 내부 잔류응력 및 인장 응력의 경향이 크게 달라짐을 해석을 바탕으로 분석하였고 시편의 측정 결과를 바탕으로 해석 값을 비교하였다. 이러한 연구 내용을 바탕으로 금속 3D Printing 공정 최적화에 해석 모델이 적용될 수 있을 것으로 보이며, 소재 및 공정조건의 차이에 따른 연구를 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 또한, Laser path 및 Pattern의 연구를 통해 소재에 가해지는 열량과 잔류응력을 분석함으로써 균열 및 뒤틀림을 최적화한 3D Printing 공정 개발에 기여할 수 있다.