적층 가공된 3차원 조형체의 치밀화에 미치는 단일 melt pool 형상의 영향
The Influence of a Single Melt Pool Morphology on Densification Behavior of Three-Dimensional Structure Fabricated by Additive Manufacturing
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Abstract
Selective laser melting (SLM) can produce a layer of a metal powder and then fabricate a three-dimensional structure by a layer-by-layer method. Each layer consists of several lines of molten metal. Laser parameters and thermal properties of the materials affect the geometric characteristics of the melt pool such as its height, depth, and width. The geometrical characteristics of the melt pool are determined herein by optical microscopy and three-dimensional bulk structures are fabricated to investigate the relationship between them. Powders of the commercially available Fe-based tool steel AISI H13 and Ni-based superalloy Inconel 738LC are used to investigate the effect of material properties. Only the scan speed is controlled to change the laser parameters. The laser power and hatch space are maintained throughout the study. Laser of a higher energy density is seen to melt a wider and deeper range of powder and substrate; however, it does not correspond with the most highly densified three-dimensional structure. H13 shows the highest density at a laser scan speed of 200 mm/s whereas Inconel 738LC shows the highest density at 600 mm/s.
1. 서 론
적층가공(Additive Manufacturing)은 분말 또는 와이어 형태로 공급되는 금속 재료를 고출력의 레이저 또는 ebeam을 열원으로 이용하여 녹여서 각 층을 제작하고 이것 을 반복하는 공정으로 구성된다[1]. 적층가공은 기존에 사 용하던 주조, 단조, 기계가공등과 같은 전통적인 제조 방 식으로는 제작이 불가능한 복잡한 형상을 제작할 수 있으 며, 금형 등의 공구를 이용하지 않고 CAD(Computer Aided Design)를 이용하여 제작한 설계도면을 직접 프린팅하여 최종 제품을 만들 수 있다는 장점을 가진다[2].
적층가공으로 제작된 3차원 조형체의 물성은 레이저 또 는 e-beam의 제어, 금속 재료의 물성, 분말의 특성 등을 비롯하여 다양한 공정 변수에 영향을 받기 때문에 여러 변수를 종합적으로 고려하여 공정 조건을 최적화해야 한 다. 하지만 다양한 공정 조건 별로 각각 시제품을 만들어 테스트 하는 것은 많은 비용이 발생하기 때문에 실험적, 해 석적인 공정 예측이 필요하다. 이러한 요구를 반영하여, 최 근 금속 적층가공의 해석에 FEM(Finite Element Method), CFD(Computational fluid dynamics) 등의 계산 툴을 이용 하려는 연구가 발표되었다[3-6]. 그러나, 다양한 공정 변수 의 존재와 더불어 공정 중에 재료가 고온에 의하여 액상, 기상으로 상 변화 함에 따라 물성이 크게 변화하기 때문 에 정확한 공정 해석 모델의 생성 및 계산에 어려움이 있 다[7]. 실험적으로는 다양한 공정 변수와 조형체의 물성 사이에 관계를 에너지 밀도를 이용하여 해석하려는 연구 가 발표 되었다[8-10]. 그러나 에너지 밀도로 적층 가공 공 정의 공정 조건을 표현하는 것은 한계가 있어 다양한 변 수의 개별적인 연구가 필요하다[11, 12]. SLM(Selective Laser Melting) 공정은 레이저로 금속 분말을 선택적으로 용융 시켜 3차원의 조형체를 제작하는 금속 적층가공법이 다. 3차원 조형체는 2차원 평면을 적층하여 제작되며, 2차 원 평면은 레이저에 의하여 용융된 다수의 1차원 melt pool로 이루어진다. 이로부터 3차원 조형체의 물성은 1차 원 melt pool의 형상에 크게 영향을 받으리라고 유추할 수 있다. 1차원 melt pool의 형상을 분석 함으로서 동일한 공 정 조건에서 제작될 3차원 조형체 물성을 예상한다면 3차 원 조형체를 직접 제작하여 테스트 하는 것 보다 효율적 으로 최적의 공정 조건의 설정이 가능하다. 다양한 SLM 공정 변수 중 laser scan speed는 분말이 레이저에 조사되 는 시간과 반비례 하며, 승온이 시작되는 시점으로부터 냉 각이 시작되는 시점까지의 시간을 제어하는 변수이다. 레 이저에 의하여 분말이 가열되는 중에도 주변의 기판과 분 말을 통해 열이 확산되므로 scan speed가 변화함에 따라 냉 각이 시작되는 시점의 온도 구배가 변화한다. Scan speed 는 에너지 밀도 외에도 열 확산 과정에 영향을 미치므로 melt pool 내부의 기공 생성 과정과 밀접한 관련이 있다. 기공에 의한 조형체의 밀도 변화는 조형체의 물성에 직접 적인 영향을 미친다[13].
본 연구에서는, Fe계 합금과 Ni 계 합금 분말을 이용하 여 각 재료의 고유한 물성과 laser scan speed가 1차원적인 melt pool 형상에 미치는 영향과 1차원 melt pool과 3차원 구조체의 밀도의 관계를 분석하여 실험적인 방법으로 SLM 조형체의 물성을 효율적으로 예측하는 방법에 관하 여 연구하였다.
2. 실험 방법
표 1과 그림 1은 각 분말의 화학적 조성 및 SEM(Scanning Electron Micrsocopy)사진을 나타낸다. H13과 IN738LC 분 말은 각각 Sandvik社와 LPW社로부터 구입하였다. 두 종류 의 분말은 가스 아토마이저를 이용하여 제조 되었으며, 구 형의 형상을 보였다. 두 분말의 입도 분포는 그림 2에 보 이듯이, 10 μm 이하의 분말들은 분급되어 제거되었으며 D50은 각각 35, 34 μm이다. SLM 공정에는 Concept Laser 社의 M. Lab을 이용하였다. M. Lab은 최대 100 W 의 Nd:YAG 레이저(파장: 1064 nm)를 열원으로 사용하며, 최 대 80 mm × 80 mm × 90 mm 크기의 조형체를 제작할 수 있다. Melt pool 형상을 조사하기 위해 각각의 분말을 STS316L 기판 위에 25 μm 두께로 도포한 뒤 90W의 레이 저를 100~800 mm/s의 속도로 조사하여 1차원 melt pool을 제작하였으며, 3차원 조형체는 위와 동일한 조건에 hatch space를 80 μm로 하여 10 mm × 10 mm × 10 mm 크기로 제 작하였다. 제작된 3차원 조형체의 밀도는 아르키메데스법 을 이용하여 측정하였다. 기판 위에 제작된 1차원 melt pool을 레이저가 조사되는 방향과 수직인 xz 방향에서 OM(Optical Microscopy)을 이용하여 사진을 촬영하고 길 이를 측정하였다. OM 촬영은 기판과 사용 분말 재료의 구분을 위하여 에칭용액(질산:염산:글리세린:증류수 = 2:5:8:10)을 이용하여 에칭한 후 진행하였다. 3차원 조형체 의 표면에 생성된 melt pool은 SEM 을 이용하여 관찰하 였으며 절단면의 기공을 OM 이용하여 관찰하였다.
Chemical composition of powders (mass%)
SEM images of powders (a) H13 (b) IN738LC.
Particle size distribution of powders (a) H13 (b) IN738LC.
3. 결과 및 고찰
그림 3과 그림 4는 각각 H13과 IN738LC의 1차원 melt pool의 OM 사진을 나타낸다. 기판으로부터 상하로 가장 먼 곳까지의 거리를 높이와 깊이로 하고 가장 넓은 부분 을 너비로 하여 melt pool의 크기를 측정하였다. 표 2는 각 각의 melt pool의 너비, 깊이, 높이의 측정 결과를 나타낸 다. 동일한 레이저 조사 속도로 조형하였을 때 두 재료의 melt pool은 유사한 너비를 보였으나, 600 mm/s 이하의 레 이저 속도에서는 H13이 IN738LC 보다 깊고 높은 melt pool을 보였다. 100~200 mm/s의 속도로 조사된 H13과 IN738LC의 melt pool 내부에 백색 화살표로 표시한 기공 이 관찰되었다. 400~600 mm/s의 속도로 조사된 melt pool 시편에서는 재료에 의한 표면의 기공 유무에서 차이가 나 타났다. H13에는 표면에 많은 기공이 존재하나 IN738LC 에는 기공 관찰되지 않았다. SLM 공정에서 레이저에 조 사된 곳은 레이저 중심으로부터 바깥쪽으로 용융된 금속 이 recoil pressure과 Marangoni effect 에 의하여 이동하여 깊게 파이고, 레이저가 지나간 후에 다시 파인 부분에 용 융된 금속이 채워지며 사진과 같은 형상의 melt pool을 형 성하는 것으로 알려져 있다[14, 15]. 200 mm/s 이하의 레 이저 조사 속도로 조사된 시편에서는 key hole mode melting에 의하여 깊숙한 내부에 잔류 기공이 생겼으며, 400 mm/s 이상의 레이저 조사 속도로 조사된 H13 표면에 서는 높은 열전도도로 인한 빠른 냉각속도에 의하여 기공이 생성되었다고 생각된다[15]. 상온에서 H13 및 IN738LC의 열전도도는 각각 25.6~28.4W/m·k, 10.4~19.8 W/m·k로 H13이 IN738LC 보다 높은 열전도도를 나타낸다[16-19]. 열 전도도가 높은 H13은 melt pool이 다시 응고되는데 필 요한 시간이 적어 내부의 기체가 빠져나가기 전에 응고되 어 표면에 기공이 생성되었다고 생각된다.
OM images of H13 melt pool (a) 100 mm/s, (b) 200 mm/s, (c) 400 mm/s, (d) 600 mm/s and (e) 800 mm/s.
OM images of IN738LC melt pool (a) 100 mm/s, (b) 200 mm/s, (c) 400 mm/s, (d) 600 mm/s and (e) 800 mm/s.
Geometrical character of melt pool
그림 5은 각 재료의 레이저 조사 속도에 따른 상대 밀도 를 나타낸다. H13 및 IN738LC 는 각각 200 mm/s, 600 mm/ s에서 최대의 상대 밀도 값을 나타냈다. 3차원 조형체는 1 차원 melt pool의 연속적인 집합으로 이루어져 있기 때문 에 1차원 melt pool 형상이 동일하다면 사용 재료에 상관 없이 3차원 조형체의 밀도는 비슷하리라 생각되었으나, H13과 IN738LC의 최고의 상대 밀도를 나타내는 melt pool의 형상에는 차이가 있었다. 이러한 결과는 재료의 물 성이 단순히 1차원 melt pool의 형상만이 아니라 내부의 기공율에도 영향을 주기 때문이라고 생각된다.
Variation of relative densities of three-dimensional structure with scan speed (a) H13 and (b) IN738LC.
그림 6과 그림 7은 H13과 IN738LC 3차원 조형체의 xy 평면 표면 SEM 사진을 나타낸다. 200 mm/s이하의 레이저 조사 속도로 조형된 시편의 표면은 melt pool이 직선적이 고 일정한 간격으로 정렬되어 있으나, 400 mm/s 이상의 조사 속도로 조형된 시편은 melt pool이 일정하게 형성되 지 않았다. 400 mm/s 이상의 레이저 속도에서는 각각의 melt pool의 너비가 레이저의 hatch space인 80 μm와 비슷 하거나 이하로 나타났기 때문에 melt pool 간의 overlap이 감소하여 각층마다 균일한 평면이 적층 되지 못하여 불규 칙한 표면을 보인다. 그러나 H13은 표면이 일정한 melt pool을 형성하는 200 mm/s에서 최고의 상대 밀도를 나타내 나, IN738LC는 불규칙한 melt pool이 형성되는 600 mm/s 에서 최고의 상대 밀도를 나타내어 조형체의 2차원적 표면 형상과 3차원 조형체의 상대 밀도 사이에는 일관적인 경 향은 나타나지 않았다.
Surface SEM images of the fabricated H13 samples with different scan speeds of (a) 100 mm/s, (b) 200 mm/s, (c) 400 mm/s, (d) 600 mm/s and (e) 800 mm/s.
Surface SEM images of the fabricated In738LC samples with different scan speeds of (a) 100 mm/s, (b) 200 mm/s, (c) 400 mm/s, (d) 600 mm/s and (e) 800 mm/s.
그림 8 및 그림 9는 H13과 IN738LC의 3차원 조형체의 단면 OM 사진을 나타낸다. H13의 200 mm/s 이하의 조형 체에는 일렬로 정렬된 기공의 분포를 보이는데, 에칭 후의 단면을 관찰해 보면 그림 10(a)와 같이 melt pool 내부에 기공이 정렬하여 존재 함이 확인된다. 이로부터 Key hole mode melting에 의하여 생성된 내부 기공은 적층 과정에서 도 제거되지 못하고 잔존함을 알 수 있다. 400~600 mm/s에 서는 기공의 크기가 커지고 기공율이 증가하는데 이것은 그 림 3(a)와 (b)에서 보이는 melt pool 표면에 생성된 기공들 이 잔류하여 생긴 기공이라 생각된다. 800 mm/s 에서는 melt pool 표면의 기공은 감소하나, melt pool의 너비가 hatch space 보다 작기 때문에 melt pool 사이에 공간에 기 공이 생성되었다. 이 연구에서 실행한 조건에서는 hatch space 이상의 너비를 가지며 내부에 기공이 존재하지 않는 melt pool 형성 조건이 존재 하지 않았다. 내부 및 표면에 기공이 생성되지 않는 800 mm/s 이상에서 hatch space를 줄여서 조형한다면 더 높은 상대 밀도의 3차원 H13 조형 체의 제작이 가능하리라 생각된다.
Cross-sectional OM images of the fabricated H13 samples with different scan speeds of (a) 100 mm/s, (b) 200 mm/s, (c) 400 mm/s, (d) 600 mm/s and (e) 800 mm/s.
Cross-sectional OM images of the fabricated IN738LC samples with different scan speeds of (a) 100 mm/s, (b) 200 mm/s, (c) 400 mm/s, (d) 600 mm/s and (e) 800 mm/s.
(a) Etched cross-sectional OM image of 200 mm/s H13 specimens and (b) map of reason for pore propagation.
IN738LC 또한 200 mm/s 이하에서는 H13 시편과 유사 하게 key hole mode melting에 의한 기공이 관찰되며, melt pool 내부에 기공이 거의 존재하지 않는 400 mm/s 이 상에서는 3차원 조형체의 기공율 또한 감소하였다. 400 mm/s 및 1000 mm/s의 시편 또한 melt pool 내부에 기 공은 존재하지 않으나 melt pool 경계에서 crack 또는 기 공이 600 mm/s의 시편보다 많이 관찰된다. 400 mm/s의 시 편에서 관찰되는 crack은 melt pool의 overlap으로 인하여 동일한 영역이 여러 번 녹았다가 다시 응고되는 과정에서 생기는 solidification crack으로 melt pool의 overlap이 거 의 없는 600 mm/s 이상에서는 관찰되지 않는다[20]. 그러 나 hatch space가 melt pool의 너비보다 큰 800 mm/s 이상 에서는 melt pool 사이의 기공이 증가하여 상대 밀도의 감 소가 나타난다. 가장 높은 상대 밀도를 나타낸 600 mm/s 의 시편은 hatch space와 1차원 melt pool의 너비가 약 80 μm 거의 동일하며 적은 기공율을 보인다. 레이저 조사 속 도를 400mm/s와 600 mm/s 사이에서 조절하여 solidification crack이 생기지 않으며 충분한 overlap을 얻을 수 있는 조건 을 찾으면 보다 높은 밀도의 IN738LC 조형체의 제작이 가능 하리라 생각된다.
단일 melt pool 형상을 통해 분석한 H13과 IN738 LC의 기공 생성 원인을 정리하면 그림 10(b)와 같이 나타낼 수 있다. 200 mm/s 이하의 속도와 600 mm/s 이상에서의 기공 생성 원인은 두 재료 모두 동일하게 key hole mode melting 과 overlap 부족 이였으나, 200~600 mm/s 에서는 상대 밀 도가 저하되는 원인에 각각의 재료의 특성이 나타났다. 열 전도율이 높은 H13은 melt pool내부에 생기던 기공이 melt pool 표면으로 이동하여 생성되었으며 IN738LC는 응고 과 정에서 melt pool에 crack이 형성되었다.
4. 결 론
H13과 IN738LC 분말을 사용하여 제작된 1차원 melt pool 형상과 3차원 조형체의 밀도를 분석한 결과 물성이 다른 두 재료의 최적 조형 조건에 차이가 생기는 원인은 열전도도 차이에 의한 1차원 melt pool의 표면 기공의 존 재 유무였다. Key hole mode melting을 보이는 200 mm/s 이 하에서는 두 재료 모두 내부에 melt pool의 형성 방향(레이 저 궤적) 과 평행하게 기공이 분포하며 조사되는 에너지가 낮아질수록 밀도가 상승하는 경향을 보였다. 400 mm/s 이상 에서 H13은 melt pool 표면에 기공이 생성되는 반면, 열전 도율이 낮은 IN738LC는 표면에 기공이 존재하지 않는다. 그 결과 IN738LC는 key hole mode melting이 나타나지 않 고 hatch space와 유사한 melt pool 너비를 나타낸 600 mm/ s에서 최고의 상대 밀도를 보였으나 H13은 key hole mode melting에 의하여 생기는 기공보다 400~600 mm/s의 레이저 조사 속도에서 급냉에 의하여 생기는 표면 기공이 더 많아 200 mm/s에서 최고의 상대 밀도를 나타냈다. 본 연구에서는 Fe계 합금과 Ni계 합금의 재료의 물성과 공정변수에 의한 1차원 melt pool 형상과 3차원 조형체의 밀도의 관계를 연 구하여 내부 기공을 포함하지 않는 1차원 melt pool을 너 비와 유사한 hatch space로 조형함으로써 높은 밀도의 3차 원 조형체를 제작할 수 있다는 결과를 얻었다.
감사의 글
This study was supported financially by Fundamental Research Program of the Korea Institute of Materials Science (KIMS). This work was also supported by the National Research Council of Science & Technology (NST) grant by the Korea Government (MSIP), (No. CRS-15-03- KIMM).