연구 방법 - 저작자표시

본 연구의 금속 적층 제조를 진행하기 위한 적층 기저부 및 적층 분말의 소재는 S45C 및 Inconel 718 금속 분말이며, 각각의 조성비는 Table 3과 같다. 위 소재를 유한요소해석 에 적용하기 위해 온도의존 물성 데이터를 도출하였다. 온도의존 물성 데이터는 물성 계 산 프로그램인 JmatPro 프로그램 및 SYSWLED 데이터를 이용하여 도출하였으며 금속 적 층 제조 모사를 위한 유한요소 해석은 용접 프로그램인 SYSWLED 를 사용하여 유한요소 해석을 진행하였다.

Materials Ni Cr Fe C Mn Si Cu Mo Co Other Inconel 718

(Powder) ⁵⁵ ²¹ ^BAL ^0.080 ^0.350 ^0.350 ^0.3 ^3.3 ¹ ^{< 5.0}

S45C

(Substrate) ^0.005 ^0.015 ^BAL ^0.444 ^0.757 ^0.247 ^0.010 ^- ^- ^{< 0.1} Table 3 Chemical compositions of powder and substrate

본 연구의 흐름도는 Fig. 4와 같이 진행된다.

Fig. 4 Flowchart for research works

제 2 장 에서는 적층부의 모서리 형상 별 적층 시 열-기계 특성을 분석하였다. 특성분 석을 위하여 제 1 절에서는 모서리부의 형상을 각도 별 챔퍼 및 곡률 반경 별 필렛 적층 형상을 도출하고 유한요소 해석모델을 설계하였다. 설계된 해석모델에 적용될 재료들의 화학 조성을 기반으로 온도의존 물성 계산 프로그램인 JmatPro 및 SYSWLED 를 이용하 여 온도의존 물성 데이터를 도출하였다. 적층 중 발생하는 강제대류, 자연대류 및 복사 열전달에 의한 열 손실을 고려하기 위하여 강제대류 계수, 자연대류 계수 및 등가 강제대 류 계수를 도출하였다. 적층에 필요한 열원 도출을 위하여 원통형 형상과 유사한 가우시 안 (Gaussian) 모델의 레이저 열원을 수식화 모델링 하여 유한요소 해석에 적용하였다. 제

2 절에서는 적층 모서리부 형상 별 적층 시편을 제작하고 LENS 장비를 이용하여 경사각 도 및 곡률 반경 별 적층 시편을 제작하였다. 제작된 유한요소 해석모델의 검증을 위하여 적층 공정 중 기저부에 발생하는 열 이력 측정 실험을 진행하였다. 제 3 절에서는 앞서 진행된 실험에서 측정한 열 이력 결과와 적층 실험 시편의 변위 변화를 측정하여 열-기 계 연계 유한요소 해석모델과 비교하여 유한요소 해석모델을 검증하였다. 열 이력 비교를 하기에 앞서 실험에서 적용되는 고정 경계조건에 의한 열 손실을 고려한 해석모델을 제 작하여 열전달 해석을 진행하여 비교하였다. 제 4 절에서는 실험과 비교를 통하여 검증된 유한요소 해석모델을 이용하여 열-기계 연계해석을 진행하였다. 열-기계 연계해석을 통하 여 적층 모서리부의 챔퍼 및 필렛 형상 별 적층 시 발생하는 유효 응력 (Effective stress) 과 주응력 (1^st principal) 발생을 예측하고 적층 공정을 통한 제품 제작 시 적층 모서리부 형상이 열-기계 특성에 미치는 영향에 대하여 고찰하고 내부 잔류응력 영향이 가장 적게 발생 될 것으로 예측되는 모서리부 형상을 도출하였다.

제 3 장 에서는 손상된 제품 보수를 위한 적층 공정 시 발생하는 열-기계 특성을 분석 하기 위하여 기저부 절삭 형상 별 열-기계 특성분석을 수행하였다. 제 1 절에서는 특성분 석을 위하여 경사각도 45^o 형상으로 절삭 된 기저부와 경사각도 45^o 형상에 내접하는 원 호 형상으로 절삭 된 기저부 형상을 절삭 깊이 4 mm, 5 mm, 6 mm 별로 도출하고 적층 유한요소 해석모델을 설계하였다. 적층에 필요한 열원 도출을 위하여 가우시안 모델의 레 이저 열원을 수식화 모델링 하여 유한요소 해석에 적용하였다. 계산을 통해 도출된 등가 열손실계수 및 자연대류를 공정에 따라 해석모델의 경계조건에 적용하였고, JmatPro 및 SYSWLED 를 이용하여 재료별 온도의존 물성 데이터를 해석모델에 적용하였다. 제 2 절 에서는 제 1 절에서 설계한 유한요소 해석모델을 기반으로 기저부 형상 별 3축 및 5축 방향 적층 실험을 진행하였다. 유한요소 해석모델 검증을 위하여 적층 실험 중 기저부에 발생하는 열 이력을 열전대를 이용하여 측정하였다. 해석에 필요한 열원의 효율 도출을 위하여 단일 비드 적층 실험 및 유한요소 해석을 진행하여 열원의 효율을 도출하고 유한 요소 해석모델에 적용하였다. 실험 및 열전달 해석의 열 이력 비교를 통하여 검증된 해석 모델을 제작하고 제 3 절에서는 위 모델의 열-기계 연계해석을 통해 발생하는 내부 잔류 응력 특성을 분석하였다. 제 4 절에서는 3절의 열-기계 해석으로 예측된 최대 잔류응력을 감소시키기 위한 이중 곡률 (Double curvature) 형상으로 절삭 된 기저부 위 적층 시 발생 하는 열-기계 특성을 분석하였다. 제 4 장 에서는 각 장에서 도출된 결과를 종합하여 적 층부 모서리의 형상 및 기저부 절삭 형상에 따른 열-기계 특성을 분석하고 향후 과제를 제시하였다.

제 2 장 적층 모서리부 형상 별 적층 시 적층 특성 고찰

제 1 절 적층 모서리부 형상 개발

본 연구에서는 적층 시 직선 및 곡선 형상의 경사를 갖는 형상 적층 시 발생하는 기저부 의 변위 변화와 잔류응력 특성을 분석하기 위하여 경사 적층 형상을 개발하였다. 첫 번째 특 징형상이 없는 얇은 벽 (Thin-wall) 형상인 경사각도 () 90ô의 얇은 벽 형상의 옆면에 경사각 도 15ô, 30ô, 45ô및 60ô 형상의 비교이며 Fig. 5와 같다. 두 번째 특징형상이 없는 얇은 벽 형 상과 얇은 벽 형상의 옆면에 곡률 반경 (R) 5 mm, 10 mm 및 15 mm, 이 적용된 필렛 형상 과의 비교이며 Fig. 6 과 같다.

(a) Definition of chamfer angles

(b)  = 15^o

(c)  = 30^o

(d)  = 45^o

(e)  = 60^o

(f)  = 90^o

Fig. 5 Design of characteristic shapes in the corner region (Chamfer)

(a) Definition of fillet radii

(b) R = 0 mm

(c) R = 5 mm

(d) R = 10 mm

(e) R = 15 mm

Fig. 6 Design of characteristic shapes in the corner region (Fillet)

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