가. 기저부 형상 별 유효 응력 비교 분석
(a) Ds = 4 mm (b) Ds = 5 mm (c) Ds = 6 mm
Fig. 90 Comparison of effective stress distribution in the vicinity of the repaired region according to substrate shape (double curvature)
이중 곡률 형상으로 절삭 된 기저부 위 보수를 위한 적층 시 깊이 별 유효 응력을 비 교 분석하였으며 Fig. 90은 깊이 별 적층 후 유효 응력분포 및 최대 유효 응력 지점의 단 면이다. 최대 유효 응력은 첫 번째 적층 비드의 적층 끝 인근에서 발생 될 것으로 예측되 었으며 최대 유효 응력은 Ds 4 mm 및 5 mm 일 때 Fig. 58 (d) 및 (e) 형상과 같이 단일 아크 형상일 때보다 유효 응력이 감소 될 것으로 예측되었다. 하지만 Ds 6 mm 인 경우 이중 곡률 형상 위 적층 시 적층부의 체적이 1,652.8 mm3 에서 1,944.6 mm3 로 매우 증 가하여 오히려 유효 응력은 더 증가 될 것으로 예측되었지만 Fig. 58 (c) 형상보다 체적이 더 많음에도 불구하고 유효 응력은 증가하지 않을것으로 예측되었으며 이중 곡률 역시 응력 집중 발생을 해소할 것으로 사료된다. 이중 곡률 깊이에 따른 적층 시 최대 유효 응 력은 Table 28과 같다.
Table 28 Maximum effective stress for different cutting depth of double curvature shape Groove depth of double curvature shape 4 mm 5 mm 6 mm
Max. effective stress (MPa) 1,320.2 1,332.0 1,369.2
나. 기저부 형상 별 주응력 비교 분석
(a) Ds = 4 mm (b) Ds = 5 mm (c) Ds = 6 mm
Fig. 91 Comparison of 1st principal distribution in the vicinity of the repaired region according to substrate shape (double curvature)
Fig. 91 은 이중 곡률 형상으로 절삭 된 기저부의 깊이 별 적층 시 발생하는 주응력 분 포 및 최대 주응력 위치이다. Fig. 91의 최대 주응력 위치는 원호 형상으로 절삭 된 기저 부 위 적층 시 발생하는 최대 주응력 위치와 유사하게 발생 될 것으로 예측되었으며 형 상의 깊이 별 최대 주응력은 Table 29 와 같다.
Table 29 Maximum 1st principal stress for different cutting depth of double curvature shape Groove depth of double curvature shape 4 mm 5 mm 6 mm
Max. 1st principal stress (MPa) 1,301.8 1,363.9 1,347.0
제 4 장 결론 및 향후 과제
본 연구에서는 적층부와 기저부의 형상에 따라 DED 공정을 이용하여 S45C 기저부 위 Inconel 718 분말 적층 적층부의 적층 형상과 기저부의 형상에 따른 제품 제작시 발생하 는 열-기계 특성분석을 통하여 적층 모서리부의 적층 형상 최적화와 기저부의 적층 영역 형상의 최적화를 수행하였다. 적층 모서리부 적층 형상 최적화를 위하여 적층 모서리부의 챔퍼 형상 및 필렛 형상을 선정하여 유한요소 해석모델을 제작하였고 실험을 통해 측정 한 기저부의 열 이력과 열전달 해석모델로 예측된 열 이력의 비교 분석 및 적층실험 후 발생 되는 기저부의 변위 변화와 열-기계 연계해석을 통해 예측된 기저부의 변위 변화 비교를 수행하여 적정 유한요소 해석모델을 제작을 수행하였다. 기저부의 적층 영역 형상 을 최적화하기 위하여 실험을 통해 측정한 기저부의 열 이력과 열전달 해석모델로 예측 된 열 이력의 비교 분석을 통하여 적정 유한요소 해석모델 제작을 수행하였고 적층부 형 상과 기저부의 형상이 열-기계 특성에 미치는 영향에 대하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
적층 모서리부 형상에 따른 적층 제품의 잔류응력 특성을 분석하기 위하여 몇 가지 기 준점을 바탕으로 모서리부 형상 후보를 선정하였다. 첫 번째 모서리부 형상이 없이 적층 된 모델, 두 번째 모서리부에 경사각도 () 60o, 45o, 30o 및 15o 의 챔퍼 형상을 가지는 모서리부 형상의 비교 세 번째 곡률반경 (R) 5 mm, 10 mm 및 15 mm 의 필렛 형상을 가 지는 모서리부 경사 형상의 비교 이렇게 세 가지 기준점을 두고 제작된 총 8가지의 적층 모서리부 경사 형상 후보를 선정하였으며 모든 모서리부 형상에서 적층 방향은 교차 방 향 (Alternative-direction)을 적용하였다.
적층 모서리부 경사 형상 후보 선정 후 유한요소 해석모델을 제작하였으며 각 모서리 부 경사 형상 별 실험을 진행하였다. 적층실험 중 기저부에 발생하는 열 이력의 변화를 측정하기 위하여 열 이력 측정 실험을 동시에 진행하였고, 적층 후 경계조건을 제거한 다 음 변화하는 기저부의 변위 측정 실험을 진행하였다.
열 이력 비교를 하기에 앞서 측정된 열 이력과 제작된 해석모델 경사각도 () 90o, 60o 및 45o 열전달 해석 결과를 비교하여 적층 중 히트싱크에 의한 열 손실을 고려하였고 도 출된 히트싱크에 의한 열손실 계수는 5,000 이다. 열 손실을 고려하여 제작된 모든 적층 모서리부 경사 형상 별 열전달 해석과 실험을 통해 측정된 열 이력을 비교하였다. 모든
경사 형상 실험 중 측정 지점 1 및 4번에서는 적층 영역과 가장 가까운 지점이며 적층 중 고온으로 가열된 적층 분말의 스패터의 영향으로 정확한 열 이력 측정이 되지 않았을 것으로 추정되며 적층부와 10 mm 떨어진 2, 5번 지점 및 15 mm 떨어진 지점에서 비교 한 3, 6번 지점에서의 열 이력 차이는 열 손실 계수를 적용한 열전달 해석 결과를 통해 예측된 열 이력과 실험을 통해 측정된 열 이력의 온도 격차를 감소시켜 적절한 열전달 해석모델을 제작하였다.
적층 후 발생하는 기저부의 변위 변화와 열-기계 연계해석을 통해 예측된 기저부의 변 위 변화를 비교하였다. 적층실험을 통해 제작된 모서리부 경사 형상 별 적층 시편을 정반 위 수직으로 세운 후 카메라를 이용하여 촬영, 동일 위치에서 적층하지 않은 기본 시편을 같은 형상으로 세운 후 카메라를 이용하여 촬영하여 두 개의 사진을 겹쳐 기저부의 변위 변화를 측정하였다. 측정에는 상용 CAM/CAM/CAE tool 인 CATIA V5를 이용하여 측정하 였으며 모서리부 경사각도 () 90o, 60o 및 45o 형상의 적층 시편은 변위 변화가 크지 않 아 측정할 수 없었다. 따라서 나머지 형상인 경사각도 () 30o 및 15o 형상과 곡률반경 (R) 5 mm, 10 mm 및 15 mm 의 적층 후 변위 변화를 측정하였다. 열-기계 연계해석으로 예측된 모서리부 경사 형상 별 기저부의 변위 측정 역시 측정 실험과 동일하게 하기 위 하여 변위 변화가 가장 적은 수직 면을 기준으로 수직인 연장선을 그어 연장선과 최대 변위 변화 지점의 동일 x축에서의 z 방향의 변화를 측정하였다. 모서리부 경사각도 () 90o, 60o 및 45o 형상의 측정 결과 역시 실험과 마찬가지로 소수점 셋째 자리 mm 의 변 화가 있어 변화량은 매우 미비하였고 경사각도 () 30o 및 15o 형상과 곡률반경 (R) 5 mm, 10 mm 및 15 mm 의 변위 변화를 비교하여 오차율 10%의 결과를 도출하였으며 제 작된 열-기계 연계해석 모델의 신뢰성을 검증하였다.
검증된 모델을 이용하여 열-기계 해석을 진행하여 모서리부 경사 형상이 내부 잔류응 력 분포에 미치는 영향성을 분석 및 고찰하였다. 적층 모서리부 경사각도 () 90o, 60o, 45o 및 30o 형상의 최대 유효 응력 (Effective stress)는 적층 경계부에서 발생 될 것으로 예 측되었으며 경사각도 15o 형상에서는 기저부 내에서 최대 유효 응력이 발생 될 것으로 예측되었다. 이는 적층부 경사 형상을 완만하게 함으로 적층 경계부에 발생하는 응력 집 중을 완화한 것으로 사료 되며 경사각도 () 30o 및 15o 형상 적층 시 최대 유효 응력은 점차 감소할 것으로 예측되었다. 다만 경사각도 90o, 60o 및 45o 형상 적층 시 최대 유효 응력은 경사 형상이 완만해짐에 따라 감소하지 않고 오히려 증가할 것으로 예측되었는데 변위 변화가 많이 발생하지 않은 위 형상들은 적층 형상에 의한 영향보다는 적층량 증가
에 의한 최대 응력 증가로 사료된다. 적층 모서리부 곡률 반경 (R) 5 mm, 10 mm 및 15 mm 형상의 최대 유효 응력은 모두 기저부 내에서 발생 될 것으로 예측되었으며 적층 모 서리부에 곡률 반경을 적용한 모델은 모두 응력 집중이 해소된 것으로 예측되며 곡률 반 경이 증가할수록 최대 유효 응력 역시 감소하였다. 하지만 곡률 반경 증가에 따른 최대 유효 응력 감소의 폭이 줄어들 것으로 예측된 해석 결과를 보아 곡률 반경을 이용하여 최대 유효 응력 감소에는 한계가 있을 것으로 예측되며 이때는 경사 형상보다는 적층량 에 따른 응력변화에 집중해야 함을 알 수 있었으며 각도 형상 및 곡률 반경 형상의 적층 모서리부 적층 시 경사 형상을 완만하게 함으로 응력 집중 및 잔류응력을 감소할 수 있 음을 알 수 있었다. 적층 모서리부 각도 형상 및 곡률 반경 형상 적층 시 최대 주응력 (1st principal stress) 비교 분석 결과 역시 최대 유효 응력에서 예측되는 경향과 동일하게 나타날 것으로 예측되었다. 해석을 통해 예측된 각 층 적층 시 최대 유효 응력 및 주응력 변화에서는 경사각도 90o, 60o 및 45o 형상 적층시 2-3 층 적층까지 급격한 응력변화가 예 측되며 경사각도 15o 및 곡률 반경 15 mm 적층 시 응력 변화는 크지 않을 것으로 예측 되며 응력 저감을 위한 적층부 형상은 챔퍼 형상에서는 경사각도 15o 형상, 필렛 형상에 서는 곡률 반경 15 mm 형상이 가장 적합한 형상임을 알 수 있었다.
기저부의 절삭 형상에 따른 적층 제품의 잔류응력 특성을 분석하기 위하여 몇 가지 기 준점을 바탕으로 기저부의 절삭 형상 후보를 선정하였다. 첫 번째 각도 형상으로 절삭 된 기저부 형상이다. 절삭 경사 면의 각도는 45o 형상이며 적층이 가능한 최대 경사각도이기 때문에 선정하였다. 두 번째 각도 형상의 내접하는 원호 형상으로 절삭 된 기저부 형상이 며 곡률 반경 17 mm 가 적용되었다. 마지막으로 절삭 깊이가 깊어짐에 따라 절삭 형상 별 적층량 증가에 의한 비교 이렇게 세가지의 기준점을 두고 제작된 6가지의 기저부 절 삭 형상 후보를 선정하였으며 각도 형상 절삭 기저부 위 적층 시 3축 적층, 원호 형상 절 삭 기저부 위 적층 시 5축 적층을 진행하였다. 모든 적층 진행 방향은 교차 방향 (Alternative-direction)을 적용하였다.
기저부의 절삭 형상 후보 선정 후 유한요소 해석모델을 제작하였으며 기저부 절삭 형 상 별 실험을 진행하기 전 열원의 효율을 도출하기 위하여 단일 비드 적층실험을 진행 후 기저부 절삭 형상 별 실험을 진행하였다. 동일한 경계조건을 가지는 단일 비드 열전달 해석모델을 제작하였다. 제작된 해석모델에서의 적층 시 거리별 최대 온도 분포를 예측하 고 정상상태 구간을 도출하였다. 정상상태 구간에서 절삭 된 단일 비드 적층실험 시편의 열 영향부와 유한요소 해석에서 예측된 열 영향부를 비교하여 오차율 10% 이내의 열원 효율을 도출하였고 실험과 가장 유사한 열원 효율 0.38을 찾을 수 있었다.
기저부 절삭 형상 별 적층실험 중 기저부에 발생하는 열 이력의 변화를 측정하기 위하 여 열 이력 측정 실험을 동시에 진행하였고 모든 기저부 절삭 형상 위 적층실험 중 기저 부에 발생하는 열 이력과 도출된 열원을 적용한 열전달 해석을 통해 예측된 열 이력을 비교하였다. 열 이력 측정 지점은 기저부 상면의 절삭 형상 끝에서 5 mm 지점에서 측정 하였으며 총 3지점에서 열 이력을 측정 및 비교하였다.
각도 경사 형상으로 절삭 된 기저부 위 적층 시 발생하는 열 이력 측정과 열전달 해석 을 통해 예측된 열 이력의 온도 격차는 크지 않았지만, 마지막 적층 시 실험을 통해 측정 된 열 이력은 급격한 상승을 보인다. 첫 번째 층 적층 시 보다 마지막 적층 시 노즐의 위 치는 열전대와 가까우며 적층 중 고온으로 가열된 적층 분말의 스패터의 영향으로 정확 한 열 이력 측정이 되지 않았을 것으로 추정된다. 내접하는 원호 형상으로 절삭 된 기저 부 위 적층 시 발생하는 열 이력 측정과 열전달 해석을 통해 예측된 열 이력의 온도 격 차는 크지 않았지만, 각도 경사 형상으로 절삭 된 기저부 위 적층 시 측정된 이력과는 다 르게 첫 번째 층 적층 시 급격한 온도 상승이 발생하게 된다. 이는 5축 적층 특성상 절삭 된 경사 형상을 따라가며 적층 하기 때문에 첫 번째 층 적층 시 노즐과 열전대의 위치가 가장 가까우며 마찬가지로 고온으로 가열된 적층 분말의 스패터의 영향으로 정확한 열 이력 측정이 되지 않았을 것으로 추정된다. 하지만 두 번째 층 세 번째 층 적층 이후 온 도 격차는 크게 발생하지 않았고 실험을 통해 측정된 열 이력과 열전달 해석을 통해 예 측된 열 이력 비교를 진행하여 제작된 유한요소 해석모델을 검증하였다.
검증된 모델을 이용하여 기저부 절삭 형상 별 열-기계 연계해석을 진행하여 기저부 절 삭 형상 위 적층 시 내부 잔류응력 분포에 미치는 영향성을 분석 및 고찰하였다. 깊이 4 mm 로 절삭 된 경사각도 형상 및 원호 형상 모델의 최대 유효 응력 (Effective stress) 비 교 결과 경사각도 형상으로 절삭 된 모델에서는 경사 시작지점에서 최대 유효 응력이 발 생 될 것으로 예측되었고 이는 형상이 변화하는 지점에서 응력 집중이 발생 된 것으로 사료된다. 반면 원호 형상으로 절삭 된 모델의 유효 응력은 적층 시작점에서 발생 될 것 으로 예측되었으며 각도 경사 형상으로 절삭 된 모델의 유효 응력보다 낮게 발생 될 것 으로 예측되었다. 이는 상대적으로 적은 양의 적층량과 경사 시작점에서 발생할 것으로 예측되는 응력 집중이 해소된 것으로 사료된다. 깊이 5 mm 로 절삭 된 경사각도 형상에 서 예측된 최대 유효 응력은 4 mm 깊이로 절삭 된 형상보다 더 높을 것으로 예측되었으 며 이는 적층량의 증가로 사료되며 동일 깊이로 절삭된 원호 형상으로 절삭 된 모델의 유효 응력은 적층 시작점에서 발생 될 것으로 예측되었다. 4 mm 깊이 모델 비교와 동일 하게 각도 경사 형상으로 절삭 된 모델의 유효 응력보다 낮게 발생 될 것으로 예측되었