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Abstract

1. 서 론

적층 제조(additive manufacturing), 일명 3D 프린팅(3D printing) 분야는 최근 몇 십년간 다양한 재료를 대상으로 경제적 측면과 제조 용이성을 향상시키며 급속한 발전을 이루어 왔다[1]. 적층 제조는 고전적인 방법과 달리 재료 를 한층 한층 쌓아 3D 형상을 제조하는 공정으로 ISO/ ASTM 52941에 소재 및 공정 원리에 따라 7가지 분류로 구분되어 있다. Laser powder bed fusion(LPBF)는 금속 분 말을 이용한 적층 제조 공정 방법 중 하나로 현재 가장 많 은 연구가 진행되고 있다. 이는 리코터를 이용하여 빌드 플레이트 위에 얇은 두께의 분말을 균일하게 도포한 후 원하는 위치를 레이저 빔을 이용하여 용융/응고시키고 이 과정을 반복하는 방식이다. 한 층에서 작업을 완료하면 빌 드 플레이트가 레이어 두께만큼 내려가 또 다시 분말이 균일하게 도포된다. 이 공정은 용이한 제조 외에도 불필요 한 재료의 낭비를 막을 수 있다는 장점을 함께 가지고 있 다. 고전적인 제조 방식에서는 최종 형상을 얻기 위한 가 공과정이 필요하여 낭비되는 재료가 많았지만, 적층 제조 공정에서는 이용되었던 분말들은 다시 재사용 할 수 있어 실제 구매하는 분말 무게와 제조할 수 있는 제품의 무게 비율인, buy to fly 비율이 이상적인 1:1이 될 수 있다[2].

니켈계 초합금들(Ni based superalloys) 중 대표적인 합 금인 IN718(Inconel 718)은 고온의 온도에서 높은 강도를 유지하며 높은 내식성을 가지고 있어 가혹한 환경에서 운 영되는 항공기 엔진 및 가스터빈 부품에 많이 활용된다 [2]. 하지만 IN718은 낮은 가공성을 가지고 있어 절삭공구 의 수명이 급격하게 감소되며 가공 시간의 증가를 야기한 다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 그 동안 많은 연구가 진행되어 왔다[3]. 최근에는 적층 가공을 이용한 근사정형 (near-net shape) 부품의 제조 가능성이 확인되었고, LPBF 를 이용한 부품 제조, 최적 형상을 구현하기 위한 연구가 활발히 제시되고 있다. 특히 IN718는 LPBF를 이용한 인 쇄적성(Printability)이 굉장히 뛰어나 최적 공정 변수의 윈 도우가 넓어 다른 재료들 보다 비교적 쉽게 높은 밀도를 부품 제조가 가능하다[4]. 그럼에도 불구하고 적층 가공을 이용한 IN718 부품 제조는 적층 속도(deposition rate)가 낮기 때문에 부품을 제조하는데 오랜 시간이 걸려 대량 생산에 어려움이 있으며 이는 산업계에 실제 활용 가능성 을 제한하는 치명적인 단점으로 작용한다. 따라서 밀도 및 기계적인 물성치를 유지함과 동시에 제조 효율성을 달성 할 수 있는 연구가 많은 관심을 받고 있으며 필수적으로 수행되어야 할 연구 분야이다. 이를 해결하기 위하여 현재 까지 분말 도포 속도 향상[5], 레이어 두께를 증가[6], 레 이저 직경[7]을 넓히는 방법 등 다양한 방법이 연구되어왔 다. 스캔 속도 향상에 관한 연구는 현재까지 여러 레이저 출력과 스캔 속도를 행렬 형태로 조합하여 시편들을 제조 한 후 스캔 속도가 높음과 동시에 밀도가 높은 공정 변수를 선정하는 형태의 연구가 진행되어왔다[2]. 최적 Volumetric energy density(VED)를 유지하면서 스캔 속도를 증가시키 는 방법은 수많은 시편을 제조해야 하는 기존의 방법과 다르게 시간 및 비용적인 측면에서 더 효율적이지만 이러 한 방법에 대한 연구는 많이 부족한 실정이다.

본 연구에서는 대표적인 적층 제조 공정인 LPBF 공정 을 이용하여 IN718 합금을 제조하였고, 레이저 출력과 스 캔 속도가 다른 공정 변수를 사용하여 제조된 시편들의 미세조직과 적층 특성에 대하여 조사하였다. 이를 바탕으 로 LPBF IN718 합금의 적층 기구를 규명하고 우수한 물 성을 나타낼 수 있는 최적의 공정 제어 향샹 방안에 대해 서도 토의하고자 하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 LPBF에 적용되는 VED식을 기반으로 총 7가지 대표적 공정 변수들을 선정하였다. LPBF를 이용한 제조와 관련하여 기준으로 이용한 최적 공정 변수는 SLM 사에서 제공한 IN718의 최적 공정 변수로 레이저 출력 200 W, 스캔 속도 900 mm/s, 해칭 간격 120 μm 그리고 레 이어 두께 30 μm였다. 한편 VED의 경우 아래에서 제시한 수식 (1)로 정의된다[8].

위 식을 이용해 SLM에서 제공한 IN718의 최적 공정 변 수에 대한 VED를 구하면 61.7 J/mm³ 이라는 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 최적 VED를 유지하기 위해서 해 칭 간격과 레이어 두께는 변경하지 않고 레이저 출력과 스캔 속도만 동일한 비율로 조절하여 최적 VED값인 61.7 J/mm³ 유지하는 전략을 채택하였다. 레이저 출력과 스캔 속도를 조절 한 이유와 관련하여 먼저 스캔 속도가 증가 하면 최적 VED를 유지하기 위해 레이저 출력을 높이거나 해칭 간격이나 레이어 두께를 줄여야 한다. 하지만 해칭 간격이나 레이어 두께를 줄이면 제조 속도의 감소를 초래 할 수 있다. 따라서 해칭 간격과 레이어 두께는 최적 공정 변수의120 μm와 30 μm로 고정하고 레이저 출력과 스캔 속도를 조절하였다. 최적 공정 변수 외에 선정된 공정 변 수들은 Table 1과 같다.

Table 1

Process parameters of LPBF process used in this study

적층 제조 시편 제작에는 IPG 파이버 레이저가 장착 되 어있어 최고 400W까지 출력이 가능한 LPBF 방식인 SLM Solution사의 SLM125HL장비를 활용했다. 이 장비 는 레이저의 직경이 70 μm이고 최대 스캔 속도는 10m/s 까지 제어 가능하다. 본 연구에서 이용된 분말은 H.C. Starck사에서 제작된 IN718분말이었으며, 1회 재사용한 분 말로 실험을 수행하였다. IN718 분말 같은 경우에는 다수 의 재사용 과정을 거쳐도 물성치에 큰 영향을 주는 crater 나 위성 분말(satellite)이 분말에 발생하지 않는다. 분말 평 균 입도 및 분포 또한 크게 변하지 않아 제조된 시편에 물 성치와 미세조직적으로 영향을 주지 않기 때문에 1회 재 사용 분말을 이용해도 무방하다고 보고되고 있다[9]. 분말 평균 입도는 Beckman Coulter사의 LS 13 320레이저 회절 입자 크기 분석 기기를 이용하여 측정하였으며, 그 결과 평균 30.80 μm로 얻어졌다. 그림 1에 본 연구에서 사용한 초기 분말의 크기 분포 및 그 형상을 제시하였다. 빌드 플 레이트의 경우에는 IN718와 동일한 Inconel로 제작된 판 재를 사용하였으며 적층 초기에 100°C까지 예열을 수행하 였다. 챔버 내 환경은 분말과 산소의 반응을 최대한 방지 하기 위해서 산소의 농도가 0.1%보다 낮은 아르곤(Ar) 환 경을 유지하였다. 적층 제조 시편은 큐브 형태로 제작되었 으며 가로, 세로 그리고 높이가 모두 8 mm의 형상으로 준 비되었다.

Fig. 1

Initial IN718 powder feedstock; (a) SEM observation result of IN718 powder and (b) the particle size distribution analysis results of powder.

제조된 시편들의 밀도를 측정하기 위해서 두가지 방법 들을 이용하였다. 첫번째는 아르키메데스 밀도 측정 방법 이며 ASTM B962 규격에 준하여 수행되었다. 먼저 Bell engineering사의 ARKI AC008 비중 측정 장치를 이용하여 건조 무게와 수중 무게를 측정하고 부력의 크기를 계산하 여 시편의 부피를 얻는다. 그 다음 건조 무게를 부피로 나 누어 공정 변수 별 시편의 밀도를 계산할 수 있다. 밀도는 공정 변수 별로 각각 5번씩 측정하였고 이의 평균값을 구 하였다. 두번째는 제조된 시편들의 밀도를 측정하기 위해 서 시편을 절단한 후 Nikon사의 Metaphot 광학 현미경을 이용하여 결함을 측정하였다. 이 때 그림 2에서 제시한 바 와 같이, 같이 XY와 XZ단면으로 자른 후 XY와 XZ 단면 의 각각 5개의 구역의 이미지를 촬영하고 Image J 소프트 웨어를 활용하여 공정 변수 별 기공의 면적비를 구하여 평균값을 계산하였다. 본 논문에서의 광학 현미경을 이용 한 밀도 측정 결과를 이용한 밀도 측정 결과를 이용하여 서술하였다.

Fig. 2

Measured areas of specimens by optical microscope and image J software in density measurement; (a) XY plane and (b) XZ plane.

시편의 미세조직 관찰을 위해 Fisher Chemical사에서 제 조된 순도 36.5%~38% 염산(Hydrochloric acid, HCL), Fisher Chemical사에서 제조된 순도 99.7% 이상 아세트산(Acetic acid, CH3COOH) 그리고 Acros Organics사에서 제조된 순 도 70% 질산(Nitric acid, HNO3)을 3:2:1비율로 혼합된 용 액으로 에칭하였다. 샘플들의 멜트풀(melt pool) 형상을 관 찰하기 위하여 먼저 가장 상층부 레이어의 멜트풀을 광학 현미경으로 관찰한 후 순서대로 마지막 레이어의 모든 멜 트풀의 이미지들까지 촬영하였다. 촬영된 이미지와 Image J 프로그램을 이용하여 샘플별로 얻어진 멜트풀 형상들의 가로와 세로 길이를 측정하고 평균값을 제시하였다.

마지막으로 공정 변수의 변화에 따른 경도를 확인하기 위해서 Vickers 경도 측정을 진행하였다. Vickers 경도 측 정을 위해서 Leco사의 LV700 장비를 이용하였으며 시편 에 5 kgf의 힘을 10초동안 가하였다. 각 공정 변수 별로 5 번을 측정하였고 평균값을 계산하여 제시하였다.

3. 결과 및 고찰

적층 제조된 시편들의 공정 조건에 따른 측정 밀도를 그 림 3에 제시하였다. 동일한 VED를 이용하였음에도 불구 하고 시편1에서는 97.9%로 상대적으로 낮은 밀도를 보여 주었고 최적 공정 변수인 시편 4로 레이저 출력과 스캔 속 도를 증가시키면 점점 밀도가 증가하여 99.9%의 치밀화 됨을 확인할 수 있었다. 시편4보다 레이저 출력과 스캔 속 도가 더 증가시키면 천천히 밀도가 감소하였다. 결과적으 로 속도가 증가한 시편 7에서는 99.5%의 밀도를 얻을 수 있었다.

Fig. 3

Density measurement results of 7 specimens manufactured by different process parameters; (a) archimedes density measurement result and (b) image J density result.

멜트풀 형상 조사를 활용하여 LBPF 공정 변수 최적화 정도를 평가할 수 있다. 가장 이상적인 멜트풀은 응고된 이전 레이어와 충분히 융착될 정도의 깊이(depth)가 필요 할 뿐만 아니라 옆에서 형성된 트랙과도 충분히 융착될 수 있게 충분한 넓이(width)를 요구한다. 멜트풀 형상 측 정 결과는 그림 4에 제시하였다. 여기에서 레이저 출력과 스캔 속도가 시편 1 만큼 낮을 경우에는 굉장히 얕은 멜 트풀의 깊이가 형성되는 것을 확인할 수 있었고, 최적 공 정 변수에 근접할수록 깊이가 증가하는 것을 알 수 있었 다. 마지막으로 시편7처럼 스캔 속도가 더 증가하는 멜트 풀의 깊이가 다시 소폭 감소하였다. 넓이는 시편1에서 좁 게 형성되고 최적 공정 변수에 근접할수록 증가하였다. 그 러나 스캔 속도가 더 증가한 시편 7로 가면서 깊이의 트 랜드와는 다르게 넓은 넓이가 유지되었다.

Fig. 4

Melt pool dimension measurement results of 7 specimens manufactured by different process parameters; (a) average melt pool width and (b) average melt pool depth.

본 연구에서는 동일한 VED를 이용했음에도 다양한 밀 도와 멜트풀 형상 결과를 얻어 VED값만으로 실제 적용되 는 에너지를 표현하기에는 한계가 있음을 확인하였다. 이 에 이러한 현상이 발생하는 요인들을 고찰해보고자 하였 다. 레이저 출력과 스캔 속도가 최적 공정 변수보다 낮은 경우 시편의 밀도가 감소하는 경향은 본 연구뿐만 아니라 타 연구 결과에서도 보고된 바 있다. Prashanth등은 Al- 12Si 재료를 SLM을 이용하여 제조하였을 경우, 동일한 VED를 이용했음에도 불구하고 레이저 출력과 스캔 속도 가 최적 공정 변수보다 낮을 경우 밀도가 떨어진다고 보 고하였다[8]. 또한 레이저 출력과 스캔 속도를 낮췄을 경 우 lack of fusion(LOF)에 의해 결함이 발생함을 확인하였 지만 그 구체적인 이유에 대해서는 충분히 설명하지 못하 였다.

그림 5는 본 연구에서 제조된 시편들의 단면을 관찰하 고 그 결함들을 조사한 결과들이다. 여기에서 최적 공정 변수보다 낮은 레이저 출력과 스캔 속도를 낮춰 제조하였 을 경우, LOF이 발생함을 명확이 볼 수 있었다. Ming Tang 등의 연구에 의하면 LOF과 full melting의 경우들을 layer thickness, hatching space, depth 그리고 width를 적용 한 아래의 경험식 (2)를 이용하여 판단할 수 있다고 제시 하였다[10].

Fig. 5

Cross-sectional observation results of 7 specimens manufactured by different process parameters.

위 식을 본 연구 결과들을 이용하여 확인해 본 결과를 그림 6에 제시하였다. 그림에서 출력과 스캔 속도가 낮을 경우 얻어진 결과 값이 1보다 크기 때문에 LOF 결함이 발 생하는 것을 확인할 수 있다. 동일한 VED를 이용했음에 도 이러한 결과가 나타나는 이유는 VED가 실용적인 간편 식이며 레이저와 분말 배드 사이의 상호 작용 또는 유체 역학적인 현상은 적절히 반영하지 못하기 때문이다[11]. 현재까지의 VED에 관한 연구 결과에서 VED는 PV 에 비 례하는 식이지만 실제 에너지의 양은 PV 에 비례할 수 있다 고 보고된 바 있다[2, 11]. 따라서 PV 에 비례하는 VED의 경우 동일한 에너지 양이 가해지는 것으로 보이지만, 앞서 언급된 PV 를 적용해보면 레이저 출력과 스캔 속도가 동 시에 증가할 수록 높은 에너지 양이 분말 배드에 가해지 는 것을 알 수 있다. 따라서 시편 1에서는 실제 최적 공정 변수보다 매우 낮은 에너지가 적용되어 LOF이 발생할 수 있다. LOF이 발생하면 분말 배드에 적용되는 에너지의 양 이 적기 때문에 멜트풀은 그 깊이가 낮고 너비가 좁게 형 성된다. 뿐만 아니라 액적(droplet)의 온도가 낮기 때문에 이상적인 멜트풀을 형성하기 보다는 그림 7의 (a)처럼 높 은 밀도를 형성하기에 불리한 볼링 현상이 발생할 수 있 다[12, 13, 14]. 추가적으로 그림 8의 (a)의 모식도를 보면 분말 배드에 적용되는 에너지 양의 부족으로 인해 불연속 적이며 넓이 126.82 μm의 좁은 트랙이 형성됨을 알 수 있 는데[11], 이 또한 불연속적인 트랙 사이의 분말이 제대로 용융되지 못하여 밀도 감소에 큰 영향을 주기 때문에 결 과적으로 시편 1에서 낮은 밀도를 보이는 것으로 설명할 수 있다.

Fig. 6

Calculating results using equation 2 for the 7 specimens manufactured by different process parameters and the criterion for lack-of-fusion.

Fig. 7

Schematic diagram showing the effect of melt pool formation on density; (a) single melt pool and multi melt pool of 50W, 225 mm/s condition and (b) of 350W, 1575 mm/s condition.

Fig. 8

Schematic diagram explaining the effect of track formation on density; (a) single track and multi track of 50 W, 225 mm/s condition and (b) of 350 W, 1575 mm/s condition.

한편 레이저 출력과 스캔 속도가 최적 공정 변수보다 높 은 경우에도 비교적 낮은 밀도를 얻는 것을 확인하였다. 레이저 출력과 스캔 속도가 높은 경우 높은 에너지양과 (2) 식의 결과를 기반으로 KH(Keyhole) 결함이 발생할 것 으로 예상했지만, 그림 5의 단면 조직 확인 결과에서 시편 7에서 멜트풀과 멜트풀 사이에 불규칙적인 결함이 발생하 였다. 그림 4의 시편 7의 멜트풀 측정 결과에서 멜트풀의 넓이는 넓지만 매우 낮은 깊이를 나타내어 LOF이 발생하 는 것으로 판단할 수 있었다. 최적 공정 변수보다 레이저 출력과 스캔 속도가 높은 경우에 대해서는 싱글 트랙을 분석한 선행 연구가 진행한 바 있다. 이 싱글 트랙 실험을 통해 높은 파워와 스캔 속도를 적용하여 제조하였을 경우, 그림 8의 (b)와 같은 굴곡진 트랙이 형성된다는 특징을 확 인할 수 있었다. 이는 Plateau-Rayleigh instability에 의하 여 관찰되는 현상으로 알려져 있다[2, 15, 16]. Plateau- Rayleigh instability는 유체가 최소한의 표면적을 유지하려 고 함에 따라 발생할 수 있다. 즉 분말이 레이저에 의해 용융되어 일자로 용융 풀이 생성되었을 경우, 용융 풀의 표면적이 넓어 안정적인 일자 형태를 유지하지 못하고 표 면적이 가장 적은 구형으로 분리하려는 과정에서 압력의 구배가 발생한다. 특히 시편 7처럼 분말 배드에 적용되는 에너지의 양이 높은 경우 냉각 시간과 용융 풀 수명이 길 어 용융 풀의 표면적이 넓어지고 높은 온도에 의해 표면 장력이 낮아 불안정성이 더 심화된다. 이러한 현상 때문에 그림 9의 (b)처럼 굴곡진 트랙이 형성된다고 이해될 수 있 다[18]. 하지만 그림 8의 (b)에서 확인할 수 있듯이 높은 레이저 출력과 스캔 속도에서 제조된 시편들은 멜트풀의 넓이가 169.79 μm로 넓고 연속적인 트랙을 형성하는 것을 바탕으로 밀도에 큰 영향을 주지 않는다고 사료되었다.

Fig. 9

Schematic diagram showing the effect of Plateau- Rayleigh instability; (a) stable track and (b) instable track by Plateau-Rayleigh instability.

레이저 출력과 스캔 속도가 높은 경우 액적 내에서 강 력한 Marangoni 현상이 발생할 수있다[19]. 레이저가 분말 배드에 에너지를 가하면 액적의 중간 부분에는 높은 온도 가 형성되나 액적의 외부는 좀 더 낮은 온도가 형성된다. 따라서 이러한 온도에 차이에 의해 표면 장력의 구배가 발생한다[20]. IN718은 온도가 높을수록 낮은 표면 장력이 생기고 온도가 낮을수록 높은 표면 장력이 생성된다. 따라 서 이러한 Marangoni 현상에 의해 액적의 중앙에서 밖으 로, 아래에서 위로 흐르는 흐름이 발생할 수 있다. Marangoni 흐름과 더불어 빠른 스캔 속도의 영향에 의해 에너지가 액적의 깊게 전달되지 못하고 옆으로 퍼져나가는 현상이 일어날 수 있으며, 그 결과로 넓이가 넓고 깊이가 낮은 멜 트풀이 형성된다[21].

최적 공정 변수보다 레이저 출력과 스캔 속도가 높은 시 편 7의 경우 그림 7의 (b)처럼 불안정한 멜트풀을 형성된 것이 나타났다. 이 또한 Marangoni 현상에 의해 발생한 것 으로 설명될 수 있다. 즉 Marangoni 흐름과 강한 레이저 출력에 의한 반동 압력이 작용하게 되면 초기에는 액적이 외부로 크게 퍼져 나가 불안정한 상태를 형성한다[22]. 일 반적으로는 충분한 시간이 지남에 따라 다시 안정적인 상 태로 돌아오지만 냉각 속도가 빠른 경우에는 불안정한 상 태 그대로 냉각되어 불안정한 멜트풀을 형성할 수 있다. 이러한 멜트풀은 다음 레이어가 형성될 때 그림 7의 (b)와 같이 낮은 높이와 불안정한 멜트풀 상태에 의하여 치밀화 제조가 불가능해지고, 그 결과로 밀도가 감소하게 된다. 하지만 본 연구에서 제조된 시편들 중 레이저 출력과 스 캔 속도가 가장 높은 시편 7까지는 멜트풀의 불안정성의 정도가 심하지 않았고 99.5%의 높은 밀도를 형성하여 스 캔 속도 1575 mm/s에서 충분히 치밀화 제조가 가능함을 제시할 수 있었다.

추가적으로 본 연구에서는 공정 변수의 변화에 따른 경 도의 변화를 확인하기 위해 Vickers 경도 측정을 진행하였 다. 측정 결과를 그림 10에 제시하였으며 공정 변수 별 경 도값은 대체적으로 밀도의 트랜드와 비슷하게, 시편 1에 서 상대적으로 낮은 경도 값을 보이다가 시편 4까지 증가 하면서 최고 값을 보이고 다시 시편 7까지 감소하였다. 시 편 7의 경도 값은 최적 공정 변수에 비교하여 5.14% 감소 하였지만 충분히 높은 경도 값을 보여주고 있어 밀도 측 면 뿐만 아니라 기계적인 물성치 측면에서도 충분히 활용 가능함을 제시할 수 있었다.

Fig. 10

Vickers hardness measurement results of 7 specimens manufactured by different process parameters;

4. 결 론

본 연구에서는 IN718 합금을 이용하여 최적 VED를 고 정, 유지하면서 레이저 출력과 스캔 속도를 동일한 비율로 조절하여 더 높은 제조 속도를 얻고자 하였으며 그 기구 에 대하여 고찰해 보았다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻 을 수 있었다.

본 연구에서 최고 스캔 속도 1575 mm/s에서 99.5%의 밀도를 얻을 수 있었으며 약간의 밀도와 경도의 감소가 발생하지만, 최적 공정 변수 보다 무려 75% 높은 제조 속 도로 시편 제조가 가능함을 제시하였다.

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