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(2)

2021년 8월 석사학위 논문

적층부와 기저부 국소 특징 형상이 DED 공정으로 제작된 인코넬 718

제품의 열-기계 특성에 미치는 영향에 관한 연구

조 선 대 학 교 대 학 원

기 계 공 학 과

백 선 호

[UCI]I804:24011-200000490367

[UCI]I804:24011-200000490367

[UCI]I804:24011-200000490367

[UCI]I804:24011-200000490367

[UCI]I804:24011-200000490367

[UCI]I804:24011-200000490367

(3)

적층부와 기저부 국소 특징 형상이 DED 공정으로 제작된 인코넬 718

제품의 열-기계 특성에 미치는 영향에 관한 연구

A Study on the Effects of Local Characteristic Shapes of the Deposited Region and the Substrate on

Thermo-mechanical Behaviors of the Inconel 718 Part Fabricated by a DED Process

2021년 8월 27일

조 선 대 학 교 대 학 원 기 계 공 학 과

백 선 호

(4)

적층부와 기저부 국소 특징 형상이 DED 공정으로 제작된 인코넬718

제품의 열-기계 특성에 미치는 영향에 관한 연구

지도교수 안 동 규

이 논문을 공학석사학위 신청 논문으로 제출함

2021 년 4 월

조 선 대 학 교 대 학 원

기 계 공 학 과

백 선 호

(5)

2021 년 5 월

조 선 대 학 교 대 학 원

(6)

목 차

LIST OF TABLES ··· v

LIST OF FIGURES ··· vi

NOMENCLATURES ··· xi

ABSTRACT ··· xiii

제 1 장 서론 ··· 1

제 1 절 연구 배경 및 관련 연구 ··· 1

1. 연구 배경 ··· 1

2. 에너지 제어형 용착 (DED) 공정 ··· 5

3. 관련 선행 연구 ··· 7

제 2 절 연구 목적 및 방법 ··· 10

1. 연구 목적 ··· 10

2. 연구 방법 ··· 11

제 2 장 적 층 모 서 리 부 형 상 별 적 층 시 적 층 특 성 고 찰 ··· 14

제 1 절 적 층 모 서 리 부 형 상 개 발 ··· 14

1. 적층 모서리부 형상 별 유한요소 해석모델 개발 ··· 17

2. 열원 모델 개발 ··· 19

(7)

3. 적층 모서리부 형상 별 유한요소 해석을 위한 데이터

도출 ··· 21

가. 자연 대류 및 강제 대류 경계조건 데이터 도출 ·· 21

나. 등가 열 손실 계수 데이터 도출 ··· 24

다. 기저부 재료의 온도의존 물성 데이터 도출 ··· 27

라. 적층 분말 제료의 온도의존 물성 데이터 도출 ··· 29

제 2 절 적층 모서리부 형상 별 적층실험 ··· 31

1. 적층 모서리부 경사 형상 별 적층 시편 설계 ··· 31

가. 모서리부 특징형상을 가지는 적층 시편제작 방법 · 32 나. 모서리부 챔퍼 형상 적층 시편제작 ··· 34

다. 모서리부 필렛 형상 적층 시편제작 ··· 36

2. 열 이력 측정 실험 방법 및 실험 ··· 38

제 3 절 유한요소 해석모델 검증을 위한 실험 및 해석모델 의 비교 ··· 40

1. 열 이력 비교를 위한 열전달 해석모델 도출 ··· 40

가. 고정 경계조건에 의한 열 손실 계수 도출 ··· 41

나. 적층실험 및 열전달 해석의 열 이력 비교 분석 ···· 45

2. 적층실험 및 열-기계 연계해석의 변위 비교 분석 ··· 50

가. 적층실험 시편 및 해석모델의 변위 비교 방법 ··· 50

나. 적층실험 시편 및 해석모델의 변위 비교 ··· 51

(8)

제 4 절 적층 모서리부 형상 별 열-기계 3차원 유한요소 해석

결과 및 분석 ··· 56

1. 적층 모서리부 형상 별 유효 응력 분석 ··· 56

2. 적층 모서리부 형상 별 주응력 분석 ··· 61

3. 형상 별 각 층 적층 시 최대 응력 분석 ··· 63

제 3 장 기저부 형상 별 적층 시 적층 특성 고찰 ··· 66

제 1 절 적층 기저부 형상 개발 ··· 66

1. 적층 기저부 형상 별 유한요소 해석모델 개발 ··· 68

2. 열원 모델 개발 ··· 70

3. 적층 기저부 형상 별 유한요소 해석을 위한 데이터 도출 ··· 71

가. 자연 대류 및 강제 대류 경계조건 데이터 도출 ···· 71

나. 등가 강제 열 손실 계수 데이터 도출 ··· 72

다. 기저부 재료의 온도의존 물성 데이터 도출 ··· 73

라. 적층 분말 재료의 온도의존 물성 데이터 도출 ··· 74

제 2 절 기저부 형상 별 적층실험 ··· 75

1. 기저부 형상 별 적층 시편제작 ··· 75

가. 기저부의 각도 형상 3축 적층 시편제작 ··· 77

나. 기저부의 곡률 반경 형상 5축 적층 시편제작 ··· 78

2. 열원의 효율 도출 ··· 80

3. 열 이력 측정 실험 방법 및 실험 ··· 82

(9)

4. 기저부 형상 별 모델 열전달 해석 및 열 이력 실험 비

교 분석 ··· 83

제 3 절 기저부 형상 별 열-기계 3차원 유한요소 해석 결과 및 분석 ··· 86

1. 기저부 형상 별 유효 응력 분석 ··· 86

2. 기저부 형상 별 주응력 분석 ··· 90

제 4 절 이중 곡률 형상 기저부의 열-기계 특성분석 ··· 93

1. 이중 곡률 형상의 기저부 형상 개발 ··· 93

2. 유한요소 해석모델 개발 ··· 93

3. 기저부 형상 별 열-기계 해석 비교 분석 ··· 95

가. 기저부 형상 별 유효 응력 비교 분석 ··· 95

나. 기저부 형상 별 주응력 비교 분석 ··· 96

제 4 장 결론 및 향후 과제 ··· 97

Reference ··· 102

(10)

LIST OF TABLES

Table 1 Classification of additive manufacturing based on process ··· 2

Table 2 Classification of DED processes according to feeding materials ··· 5

Table 3 Chemical compositions of powder and substrate ··· 12

Table 4 Characteristic dimensions of the deposition bead (provided by KITECH) ··· 18

Table 5 Number of paths, nodes and elements of FE models for different characteristic shapes ···18

Table 6 Specifications of LENS processes ··· 34

Table 7 Experimental condition for Inconel 718 powders ··· 34

Table 8 Number of paths of the deposition experiment (corner angles) ··· 36

Table 9 Number of paths of the deposition experiment (corner radii) ··· 37

Table 10 Maximum displacements of the designed specimens for different corner angles ··· 52

Table 11 Maximum displacements of the designed specimens for different corner radii ·· 52

Table 12 Error ratio of the results of FEAs for different characteristic shapes ··· 55

Table 13 Maximum effective stress for different chamfer angles ··· 59

Table 14 Maximum effective stress for different fillet radii ··· 59

Table 15 Compositions of maximum 1st principal stress for each shape ··· 63

Table 16 Compositions of maximum 1st principal stress for each shape ··· 64

Table 17 Dimensional of the deposition bead (Provided by MAXROTECH) ··· 69

Table 18 Number of paths, layers, elements and comparable volume of deposition region of FE models for different the repair of the corner ··· 69

Table 19 Specifications of LENS processes (repair of corner) ··· 76

Table 20 Experimental condition using Inconel 718 powders (repair of corner) ··· 76

Table 21 Number of paths of the deposition experiments (cutting depth of inclined) ··· 78

Table 22 Number of paths of the deposition experiments (cutting depth of radii) ··· 79

Table 23 Maximum effective stress for different cutting depth of inclined shape ··· 89

Table 24 Maximum effective stress for different cutting depth arc shape ··· 89

Table 25 Maximum 1st principal stress for different cutting depth of inclined shape ··· 92

(11)

Table 26 Maximum 1st principal stress for different cutting depth of arc shape ··· 92

Table 27 Number of paths, layers, elements and comparable volume of deposition region of FE models for different the repair of the corner (double curvature) ··· 94

Table 28 Maximum effective stress for different cutting depth of double curvature shape ··· 96

Table 29 Maximum 1st principal stress for different cutting depth of double curvature shape ··· 96

LIST OF FIGURES

Fig. 1 Principles of DED processes ··· 5

Fig. 2 Defects of products manufactured by the metal AM process ··· 10

Fig. 3 Concentration stress of products manufactured by the metal AM Process ··· 11

Fig. 4 Flowchart for research works ··· 12

Fig. 5 Design of characteristic shapes in the corner region (Chamfer) ··· 15

Fig. 6 Design of characteristic shapes in the corner region (Fillet) ··· 16

Fig. 7 Finite element meshes for different characteristic shapes (Chamfer) ··· 17

Fig. 8 Finite element meshes for different characteristic shapes (Fillet) ··· 18

Fig. 9 Finite element model and boundary condition (θ = 90o and R = 0 mm) ··· 19

Fig. 10 Heat flux model of laser ··· 20

Fig. 11 Influence of shape coefficient on the intensity distribution of the heat flux and the aspect ratio of HAZ ··· 20

Fig. 12 TApplication region of the natural convection on the surface of the substrate ··· 21

Fig. 13 Temperature dependent material properties of air ··· 21

Fig. 14 Temperature dependent natural convection coefficient for different application surfaces ··· 22

Fig. 15 Temperature dependent material properties of argon ··· 23

Fig. 16 Estimated temperature dependent forced convection coefficient ··· 24

Fig. 17 Heat loss by forced convection and radiation ··· 25

(12)

Fig. 18 Temperature dependent emissivity of S45C and Inconel 718 ··· 26

Fig. 19 Temperature dependent equivalence heat loss coefficients for different materials· 26 Fig. 20 Temperature dependent theraml-mechanical properties of substrate (S45C) ··· 28

Fig. 21 Temperature dependent theraml-mechanical properties of powder (Inconel 718) ·· 30

Fig. 22 Design of deposition region (Chamfer) ··· 31

Fig. 23 Design of deposition region (Fillet) ··· 32

Fig. 24 LENS system for deposition experiments ··· 33

Fig. 25 Set-up for experiments ··· 33

Fig. 26 Fabricated specimens for different corner angles ··· 38

Fig. 27 Fabricated specimens for different corner radii ··· 38

Fig. 28 Device for experiments ··· 39

Fig. 29 Set-up for the temperature measurement ··· 39

Fig. 30 Attached locations of thermocouples ··· 39

Fig. 31 Contact region between fixture and substrate ··· 41

Fig. 32 Application region of heat skin in the FE model ··· 41

Fig. 33 Comparison fo thermal histories of FE analyses and those experiments for different coefficients of the heat sink ( = 90o) ··· 42

Fig. 34 Comparison fo thermal histories of FE analyses and those experiments for different coefficients of the heat sink ( = 45o) ··· 43

Fig. 35 Comparison fo thermal histories of FE analyses and those experiments for different coefficients of the heat sink (R = 5 mm) ··· 44

Fig. 36 Comparison of thermal history for experimental and those of FE analyses ( = 90o,  = 5,000 W/mm2·oC) ··· 45

Fig. 37 Comparison of thermal history for experimental and those of FE analyses ( = 60o,  = 5,000 W/mm2·oC) ··· 46

Fig. 38 Comparison of thermal history for experimental and those of FE analyses ( = 45o,  = 5,000 W/mm2·oC) ··· 46

Fig. 39 Comparison of thermal history for experimental and those of FE analyses ( = 30o,  = 5,000 W/mm2·oC) ··· 47 Fig. 40 Comparison of thermal history for experimental and those of FE analyses ( =

(13)

15o,  = 5,000 W/mm2·oC) ··· 47

Fig. 41 Comparison of thermal history for experimental and those of FE analyses (R = 5 mm  = 5,000 W/mm2·oC) ··· 48

Fig. 42 Comparison of thermal history for experimental and those of FE analyses (R = 10 mm  = 5,000 W/mm2·oC) ··· 49

Fig. 43 Comparison of thermal history for experimental and those of FE analyses (R = 15 mm  = 5,000 W/mm2·oC) ··· 49

Fig. 44 Measurement method of displacement in the edge ··· 50

Fig. 45 Displacement distribution for different corner angles ··· 51

Fig. 46 Displacement distribution for different corner radii ··· 52

Fig. 47 Comparison of specimens displacement for FEA and that for experiment (θ = 30o and 15o) ··· 53

Fig. 48 Comparison of specimens displacement for FEA and that for experiment (R = 5 mm, 10 mm, 15 mm) ··· 54

Fig. 49 Influence of the chamfer angles on the effective stress distribution ··· 56

Fig. 50 Influence of the fillet radii on the effective stress distribution ··· 57

Fig. 51 Effects of the chamfer angles on the effective stress distribution in the cross section of the maximum effective stress ··· 58

Fig. 52 Effects of the fillet radii on the effective stress distribution in the cross section of the maximum effective stress ··· 59

Fig. 53 Influence of the chamfer angles on the 1st principal stress distribution ··· 61

Fig. 54 Influence of the fillet radii on the 1st principal stress distribution ··· 62

Fig. 55 Effective stress histories for different chamfer angles at the location of the maximum effective stress ··· 64

Fig. 56 Effective stress histories for different fillet radii at the location of the maximum effective stress ··· 64

Fig. 57 1st principal stress histories chamfer angles at the location of the maximum 1st principal stress ··· 65

Fig. 58 1st principal stress histories fillet radii at the location of the maximum 1st principal stress ··· 65

(14)

Fig. 59 Substrate designs for the repair of the corner ··· 66

Fig. 60 Deposition strategies for different substrate designs ··· 67

Fig. 61 FE model For different substrate design (Inclined shape) ··· 68

Fig. 62 FE model For different substrate design (Arc shape) ··· 68

Fig. 63 Influence of shape coefficient on the intensity distribution of the heat flux and aspect ratio of HAZ (repair of corner) ··· 70

Fig. 64 Application region of the nature convection on the surface of the substrate (repair of corner) ··· 71

Fig. 65 Temperature dependent natural convection coefficient for different application surfaces (repair of corner) ··· 72

Fig. 66 Temperature dependent equivalence heat loss coefficients for different materials (repair of corner) ··· 73

Fig. 67 LENS system for deposition experiment (repair of corner) ··· 75

Fig. 68 Set-up for deposition experiments (repair of corner) ··· 76

Fig. 69 Repaired specimens for different cutting depth (Inclined shape) ··· 77

Fig. 70 Repaired specimens for different cutting depth (Arc shape) ··· 79

Fig. 71 FE model to estimate the efficiency of heat flux for corner repair ··· 80

Fig. 72 Estimated steady-state heat transfer region ··· 80

Fig. 73 Estimated efficiency of heat flux ··· 81

Fig. 74 Comparison of results of experiment and those of FEA from the viewpoint of HAZ formation ··· 81

Fig. 75 Experiment set up to measure the temperature histories (repair of corner) ··· 82

Fig. 76 Attached locations of thermocouples (repair of corner) ··· 83

Fig. 77 Comparison of thermal histories for experimental and those of FE analyses (θ = 45o and Ds = 4 mm) ··· 83

Fig. 78 Comparison of thermal histories for experimental and those of FE analyses (θ = 45o and Ds = 5 mm) ··· 84

Fig. 79 Comparison of thermal histories for experimental and those of FE analyses (θ = 45o and Ds = 6 mm) ··· 84

Fig. 80 Comparison of thermal histories for experimental and those of FE analyses (R = 17 mm and Ds = 4 mm) ··· 84

(15)

Fig. 81 Comparison of thermal histories for experimental and those of FE analyses (R = 17 mm and Ds = 5 mm) ··· 85 Fig. 82 Comparison of thermal histories for experimental and those of FE analyses (R =

17 mm and Ds = 6 mm) ··· 85 Fig. 83 Comparison of effective stress distribution in the vicinity of the repaired region

according to substrate shape (Ds = 4 mm) ··· 86 Fig. 84 Comparison of effective stress distribution in the vicinity of the repaired region

according to substrate shape (Ds = 5 mm) ··· 87 Fig. 85 Comparison of effective stress distribution in the vicinity of the repaired region

according to substrate shape (Ds = 5 mm) ··· 88 Fig. 86 Comparison of 1st principal distribution in the vicinity of the repaired region

according to substrate shape (Ds = 4 mm) ··· 90 Fig. 87 Comparison of 1st principal distribution in the vicinity of the repaired region

according to substrate shape (Ds = 5 mm) ··· 91 Fig. 88 Comparison of 1st principal distribution in the vicinity of the repaired region

according to substrate shape (Ds = 6 mm) ··· 92 Fig. 89 Corner designs of substrate (double curvature model) ··· 93 Fig. 90 FE model for different substrate design (double curvature) ··· 94 Fig. 91 Comparison of effective stress distribution in the vicinity of the repaired region

according to substrate shape (double curvature) ··· 95 Fig. 92 Comparison of 1st principal distribution in the vicinity of the repaired region

according to substrate shape (double curvature) ··· 96

(16)

NOMENCLATURES

: Emissivity

: Efficiency of heat flux

: kinematic viscosity

: Stefan-Boltzmann constant ρ : Temperature dependent density

α : Temperature dependent thermal expansion

: Application area

 : Shape coefficient of heat flux

CP : Temperature dependent specific heat

 : Diameter of nozzle

E : Temperature dependent elastic modulus

: Gravitational acceleration

 : Distance between nozzle and substrate

f or  : Average forced convection coefficient

   : Average natural convection coefficient

  : Average equivalent forced convection coefficient k : Temperature dependent thermal conductivity

: Characteristic length

: Average nusselt number

 : Power of heat flux

: Prandtl number

: Total heat loss rate

f or  : Heat loss rate induced by the forced convection

  : Heat loss rate induced by the radiation

: Maximum power intensity of heat flux

: Reynolds number

(17)

: Rayleigh number

 : heat flux coverage

: Top radii of heat flux

: Bottom radii of heat flux

: Surface temperature

: Environmental temperature

: Film temperature

: Time

: Scan speed of heat flux

: X position of heat flux

: Y position of heat flux

: Z position of heat flux

: Top position of heat flux

: Penetration depth

(18)

ABSTRACT

A Study on the Effects of Local Characteristic Shapes of the Deposited Region and the Substrate on Thermo-mechanical Behaviors

of the Inconel 718 part Fabricated by DED Process

Baek Sun-Ho

Advisor : Prof. Ahn Dong-Gyu, Ph.D.

Department of Mechanical Engineering Graduate School of Chosun University

Directed Energy Deposition (DED) process is one of the additive manufacturing that can produce three-dimensional product, repair and remanufacturing product by depositing new layer using high density energy source such as laser. DED process is occurred thermal characteristic imbalance and residual stress because of repeated thermal history of rapid heating and cooling. The goal of this research work is to investigate the effect of local characteristic shape of the deposited region and the substrate on thermo-mechanical behaviors of the Inconel 718 part fabricated by DED process using finite element analyses (FEAs) and experiments. The deposition experiments are LENS CNC VESTA 1300 (OPTOMEC) carried out using apparatus and DABO MDR-60 (MAXROTEC). Materials of the deposition powder and the substrate are Inconel 718 and S45C, respectively.

Thermo-mechanical analyses are performed to investigate variation of thermal and residual stress characteristics during the deposition. Through the comparision of the results of FEAs and those of experiments from the view point of thermal history, proper FE models are obtained. Temperature histories are measured by thermocouple (OMEGA) and data logger (GRAPHTEC) to estimate a proper heat sink coefficient of the FE models for different deposition conditions. The influence of the chamfer angle and the fillet radius of a thin wall on the substrate examined to residual stress distribution in the vicinity of the deposition region obtain suitable chamfer angle and fillet radius of the deposited region.

(19)

The effects of the substrate geometry for the repair and the deposition strategy on the residual stress distributions in the vicinity of the repaired region by DED process. In addition, substrate design the influence of radius of curvature of the substrates with a double curvature geometry on the residual stress distributions in the vicinity of the deposited region to predict a proper radius of curvature of the substrate. In the future, further experiments and FE analyses are necessary to predict optimum substrate design and deposition strategy to repair the metallic part using a DED process.

(20)

제 1 장 서론

제 1 절 연구 배경 및 관련 연구

1. 연구 배경

제1차 산업혁명은 18세기 중엽 영국에서는 농업 중심의 사회에서 증기기관 등을 기반 으로 한 새로운 제조공정으로 대량생산이 시작되었고 이를 시작으로 많은 기술적 발전 이 있었다.1) 이후 19세기 중반 20세기 초 전기, 화학 및 석유 등의 발전으로 기술혁신이 일어난 제2차 산업혁명과 컴퓨터와 인터넷 등 정보 기술을 바탕으로 한 제3차 산업혁 명을 거쳐 현재 우리는 제4차 산업혁명의 앞에서 기술적 전환기를 맞이하고 있다.2)3)

제4차 산업혁명은 제3차 산업혁명을 기반으로 모바일 장치로 연결된 수십억 명의 인 구를 바탕으로 한 빅 데이터 (Big Data)와 인공지능, 이를 기반으로 한 로봇공학, IoT (Internet of Things), 자율주행 차량, 나노 기술, 3D 프린팅 (3D Printing) 등과 같은 기술 로 기하급수적인 산업의 진화를 이루고 있으며 2016년 세계 경제 포럼 (World Economic Forum) 에서 클라우스 슈바프 (Klaus Schwab) 에 의해 처음으로 언급되었다.4)-6) 제4차 산업혁명의 핵심 기술 중 하나인 3D 프린팅은 2013년 미국의 버락 오바마 전 대통령의 국정 연설에서 새로운 제조업의 혁신이라고 강조한 이후 현재까지도 국방, 항공우주, 의료, 교육, 식품 등 다양한 산업에서 3D 프린팅 기술에 관한 관심이 높아지고 있다.7)

3D 프린팅은 대중적으로 사용되는 명칭이며 공식 표준 명칭은 적층 제조 (Additive manufacturing : AM) 공정이다. 적층 제조공정은 CAD (Computer aided design) 및 CAM (Camputer aided manufacturing) 을 이용하여 생성된 3D 모델 데이터를 바탕으로 새롭게 층을 형성하거나, 적층되어 형성된 기존의 층 위에 적층하여 새로운 3차원의 제품을 제 작하는 방법이다.8)9) CAD 와 CAM 으로 형성된 데이터를 바탕으로 재료를 층별로 쌓아 올려 (Layer-by-layer, Line-by-line, Piece-by-piece, or Surface-by-surface) 제품을 제작하기 때문에 성형 공정 또는 절삭가공 공정과 같은 기존의 전통 가공 공정과는 다르게 복잡 한 형상을 제작하기 쉬우며, 제조공정 대비 가공 단계가 간소화되기 때문에 공정 시간 및 비용 감소 (Time cost trade off) 를 이뤄낼 수 있다.10,11) 따라서 전통적인 제조공정을

(21)

대체하거나 적층 제조 공정과 융합을 시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.8,9) 최초의 적층 제조 기술은 1983년 미국 3D Systems 의 공동 설립자인 Charles W. Hull 이 스테레오리소그래피 (Streolithography : SL) 를 발명하여 1984년 광경화수지 (Streolithography Apparatus : SLA) 조형 공정에 대한 특허를 출원하였고 1987년 최초의 3D Printer인 SLA-1를 상용화했다.12,15) 이를 시작으로 적층 제조공정은 다양한 제조 분야 에 적용하기 위해 연구와 발전을 거듭해 왔고 현재는 다양한 재료를 적용하여 제조 분 야를 넘어 많은 분야에 적용하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.16)

적층 제조 공정은 현재 다양한 분야에 적용하기 위해 기술이 개발 및 상용화되었고 미국 재료 시험 협회 (American Society for Testing Materials : ASTM) 에서는 공정 수행방 식에 따라 크게 7가지로 분류하였다. 분류 기준에는 공정 수행방식 및 적층 재료에 따 라 접착제 분사 방식, 재료 압출 방식, 재료 분사 방식, 분말 베드 융해 방식, 판재 적 층 방식, 광중합 방식 및 에너지 제어형 적층 방식으로 분류되며 각 공정의 정의, 적층 방식, 적층 가능 재료 및 공정 관련 기술은 Table 1 과 같다.17,18)

Table 1 Classification of additive manufacturing based on process17-20) Classification of

AM Process Principle Type of

Material Applied technologies Binder jetting

an AM in which a liquid bonding agent is selectively deposited to join

powder materials.

Polymer/

Metallic/

Ceramic

3D Printing (3DP), Powder bead and inkjet head (PBIH)

Material extrusion

an AM in which material is selectively dispensed through a nozzle

or orifice

Polymer Fused Deposition Modelling (FDM), Fused Filament Fabrication (FFF)

Material jetting an AM in which droplets of build

material are selectively deposited. Polymer

Polyjet,

Multi-Jet Modeling (MJM), Projet

Powder bed fusion

an AM in which thermal energy selectively fuses regions of a powder bed.

Polymer/

Metallic/

Ceramic

Selective Laser Sintering (SLS), Selective laser melting (SLM), Electron Beam Melting (EBM) Sheet lamination an AM in which sheets of material

are bonded to form an object.

Polymer/

Metallic/

Ceramic

Laminated Object Manufacture (LOM), Selective Deposition Lamination (SDL),

Ultrasonic Consolidation (UC) Vat Photo-

polymerization

an AM in which liquid photopolymer in a vat is selectively

cured by light-activated polymerization.

Polymer Stereolithography apparatus (SLA), Digital Light Processing (DLP)

Directed energy deposition

an AM in which focused thermal energy is used to fuse materials by melting as they are being deposited.

Metallic

Laser Metal Deposition (LMD), Laser Engineered Net Shaping (LENS),

Direct Metal Deposition (DMD), Wire and Arc Additive Manufacturing

(WAAM),

Electron Beam Freeform Fabrication (EBF)

(22)

접착제 분사 (Binder Jetting : BJ) 방식은 제작하고자 하는 제품의 분말 재료 위에 접착 제를 국부적으로 분사시켜 분말을 결합, 적층하여 원하는 형상 및 제품을 제작하는 공정 이다. 제품 제작 시 분말을 접착시켜 제작하는 공정이기 때문에 열에 의한 영향이 없고 다양한 소재와 색상을 적용하여 빠르게 적층할 수 있는 장점이 있지만, 접착제를 이용한 공정이기 때문에 제품의 내구성이 약하여 제작된 제품 사용이 좋지 못하다.21,22)

재료 압출 (Material extrusion : ME) 방식은 미국 Stratasys 의 공동 창립자인 S. Scott Crump 가 1988년 용착 조형 (Fused Deposition Modeling: FDM) 공정 개발로 생긴 방식이 다.23) ME 방식은 평평한 표면 위에 필라멘트와 같은 열가소성 재료를 가열 및 압출시키 며 한 층씩 적층하여 제품을 제작하는 공정이다. FDM 공정은 다른 공정에 비해 장비 크 기가 작아 시스템 설비 구축이 간단하고 저렴하여 산업뿐 아니라 교육 및 가정에서도 많 이 사용한다.24)

재료 분사 (Material Jetting : MJ) 방식은 액체 형태의 광경화 소재를 이용하여 적층하 고자 하는 곳에 소재를 분사함과 동시에 자외선 (Ultra Violet : UV) 램프를 이용하여 분 사된 소재를 경화시켜 적층, 제품을 제작하는 방식이다.25) 일반적으로 낮은 레이어로 적 층하기에 표면 조도가 매우 높고 적층 속도가 빠른 장점이 있다. 하지만 공정에 필요한 설비 및 재료가 고가이고 재료의 특성상 높은 강도를 가지지 않아 실제 제품 사용에는 어려움이 있다.26) MJ 방식을 적용한 공정에는 광경화수지 분사 (Photopolymer jetting : Polyjet) 공정과 다중 분사 (Multi-jet Modeling : MJM) 공정이 있다.27)

분말 베드 융해 (Powder Bed Fusion : PBF) 방식은 분말 형태의 금속, 세라믹 및 폴리 머 재료에 고출력 에너지원(레이저, 전자빔)을 분사하여 재료를 소결, 융해 및 응고시켜 3 차원의 제품을 제작하는 공정이다. PBF 방식은 제조과정 중 언더컷 (Under-cut) 과 오버행 (Overhangs) 에 대한 결함 부위를 보수 및 보완할 수 있는 장점이 있다. 따라서 PBF 방식 은 다른 적층 제조 방식과 비교하였을 때 작고, 형상이 복잡한 제품을 제작하는데 유리한 기술이다.28) PBF 방식을 이용한 공정으로는 직접식 금속 레이저 소결 (Direct Metal Laser Sintering : DMLS), 선택적 레이저 소결 (Selective Laser Sintering : SLS), 전자빔 융해 (Electron Beam Melting : EBM) 등의 공정이 있다.29)

박판 적층 (Sheet lamination : SL) 방식은 적층 재료를 얇은 판 또는 필름 형태로 가공 하여 접착제를 이용하여 붙이거나 재료를 가열하여 한층 씩 접착시켜 적층하는 공정이다.

MJ 방식과는 다르게 한 층 전체를 접착시켜 제품을 제작하기 때문에 적층 속도가 빠른 장점이 있다. 하지만 제작된 제품의 기계적 특성이 좋지 않다는 단점이 있다.30)

(23)

액조 광중합 (Vat Photopolymerization) 방식은 특정 파장의 빛에서 경화하는 광경화 (Photopolymer) 소재를 이용하여 적층하고자 하는 소재 위에 빛을 조사하여 적층하는 적 층 공정 방식이다. ASTM 에서 분류한 7가지 적층 방식 중 가장 오래된 적층 방식이다.

레이저를 이용하기 때문에 적층 제품의 표면이 매끄러운 장점이 있으나, 적층 수조(Vat) 내에 광경화 소재가 충분히 있어야 적층 공정이 수행되기 때문에 공정 수행에 있어서 높 은 비용이 필요하고 재료의 유해성 역시 광중합 방식의 단점이다. 광중합 방식을 이용한 공정으로는 SLA (Stereo Lithography Appratus), 디지털 광 조형 (Digital Light Process : DLP) 등의 공정이 있다.26,31)

에너지 제어형 용착 (Directed Energy Deposition : DED) 공정은 레이저, 플라즈마 아크 등과 같은 고밀도의 에너지원을 이용하여 금속 선재 (Wire) 또는 금속 분말(Metal powder) 과 같은 재료를 용해 및 응고시켜 한층 한층 적층하여 제품을 제작하는 적층 방식이다.

DED 방식은 금속 재료의 형태에 따라 종류가 나뉘며 WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing), EBF (Electron Beam Freeform Fabrication), LENS (Laser Engineered Net Shaping) 등의 방식이 있다.10,32)

(24)

2. 에너지 제어형 용착 (DED) 공정

에너지 제어형 용착 (Directed Energy Deposition : DED) 공정은 적층 제조 (Additive Manufacturing) 공정 중 하나로써 금속 분말 (Metal powder) 또는 금속 선재 (Metal wire) 를 이용하여 적층 기저부 (Substrate) 가 되는 금속 모재 위에 고출력 레이저 (Laser) 또는 전자빔 (Electron beam) 등의 에너지원을 조사하여 용융풀 (Molten-pool) 을 생성함과 동시 에 재료를 용융풀에 연속적으로 공급하여 새로운 층 (New layer) 을 형성시키고 앞서 형 성된 층 (Previous layer) 위에 생성시키는 과정을 반복하여 3차원의 금속제품을 제작하는 공정이며 Feed Type 별 공정의 분류는 Table. 2와 같고, 개념도는 Fig. 1 과 같다.10,33)

Table 2 Classification of DED processes according to feeding materials

Feeding type Wire Powder

Deposition Process Technologies

Electron Beam freeform Fabrication

(EBF)

Wire and Arc Additive Manufacturing

(WAAM)

Direct Metal Deposition

(DMD)

Laser Engineered Net

Shaping (LENS) Layer thickness

(mm) 500 – 1,270 1,500 – 2,500 150 - 350 100 - 380

(a) Wire feeding type (b) Powder feeding type Fig. 1 Principles of DED processes

(25)

DED 공정 중 금속 선재를 공급하여 적층하는 공정은 금속분말과 비교했을 때 소재의 가격이 저렴하므로 제품 제작 시 비용을 감소시킬 수 있고, 적층 속도가 빨라 공정 시간 과 비용 감소를 이룰 수 있다.34) 금속분말을 이용한 DED 공정은 다중 분말 호퍼 (Multipowder hoppers) 를 사용하여 한가지의 분말 외에도 다양한 금속 분말을 이용하여 적층 공정이 가능하며 다 축 (Multiple-axis) 가공이 가능하여 적층 중 별도의 지지대 (support) 없이 복잡한 형상의 제작 및 보수가 가능하다. 이러한 장점으로 터빈 블레이드 (Turbine blade) 의 수리 또는 항공기 엔진 (Aero engine) 제작 등 항공우주산업 등과 같은 분야에서 제품 제작 및 보수에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.35)

DED 공정을 이용하여 적층을 수행할 경우 레이저의 열원으로 인해 1,000 oC 이상의 고열이 짧은 시간 동안 발생하고 급속한 냉각의 열 이력 (Thermal Cycle) 이 반복적으로 나타나는 과정에서 형상 또는 제품을 제작한다.36) 따라서 적층부의 금속은 적층되는 과정 에서 팽창과 수축을 반복하게 되며 이로 인해 적층부와 적층 경계부는 열 특성 불균형 및 잔류응력이 발행한다. DED 공정으로 금속 및 초합금 재료를 적층할 경우 적층 면적, 적층부 형상 등이 조금만 바뀌어도 적층부 내부 및 외부에 치명적 결함을 일으킬 수 있 다. 이러한 불균형 및 잔류응력은 결국 적층 되어 형성된 최종 제품에 균열 및 변형을 초 래시키는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해서 열전달 및 잔류응력 발생을 예측, 분석할 수 있는 기술이 필요하며 이를 제어하기 위한 연구 및 기술개발이 활발하게 연구 되고 있다.10,37)

(26)

3. 관련 선행 연구

적층 공정 중 및 후 발생하는 잔류응력에 대한 문제 및 이를 예측하기 위한 시뮬레이 션 모사를 위한 많은 연구가 진행되고 있다. DED 공정을 이용한 적층 공정 중 및 적층 후 발생하는 잔류응력 감소와 적층 공정 모사 유한요소해석 모델 도출을 위한 선행 연구 는 다음과 같다.

2014년 Wilson 등은 레이저 직접 적층 (Laser direct deposition) 공정을 이용한 재사용 및 재제조 연구를 진행하였고 레이저 직접 적층 공정이 재사용 및 재제조에 유리한 공정임 을 연구하였다. 손상된 터빈 블레이드의 보수를 위하여 손상 부위를 경사 형상으로 절삭 한 후 CATIA V5 CAD 프로그램을 이용하여 손상 보수를 위한 절삭 부위를 설계 후 CAM을 이용하여 적층 경로를 설정한 후 Nistelle 625 재료를 이용하여 손상 부위를 보수 하였다.38)

2015년 Jarred C Heigel 등은 DED 공정을 이용한 Ti-6Al-4V 소재를 적층 중 기저부 벽 면에 thermocouple을 부착하여 기저부 온도를 측정하였다. 이를 기반으로 열-기계 해석모 델을 개발하였고 자연 대류와 강제 대류 효과를 고려한 해석모델을 도출하여 실험 결과 와 유한요소 해석 결과를 비교하는 연구를 수행하였다. 실험과 비교하였을 때 강제 대류 를 적용한 유한요소 해석에서 더 낮은 오차율을 도출하였으며 강제 대류 효과를 고려한 유한요소 해석모델이 필요함을 도출하였다.39)

2017년 Yong 등은 니켈계 합금의 레이저 클레딩 (Laser cladding) 을 유한요소 해석 모 델링 하기 위하여 수치화 모델을 도출하였다. 수식화된 모델 도출을 위하여 레이저 클레 딩 실험을 통해 용융풀의 크기를 카메라를 통하여 측정하고, 적층 단면부에서 열 영향부 (Heat Affected Zone : HAZ) 를 도출하였다. 유한요소 해석을 진행하여 실험 단면과 유한 요소 해석모델 비교를 통해 유한요소 해석에서 열 영향부의 온도 범위를 도출하였다.40)

2017년 Bihlii 등은 DED 공정을 이용하여 적층된 단일 비드와 유한요소 해석을 비교하 여 열원의 효율과 침투 깊이 도출에 관한 연구를 수행하였다. 열원 효율과 침투 깊이를 도출하기 위해서 단일 비드 적층 시편의 단면에서 열 영향부를 측정하였고 유한요소 해석 을 통해 예측된 HAZ를 비교하여 적절한 열원의 효율과 열원의 침투깊이를 도출하였다.41)

2019년 Lu 등은 DED 공정을 이용하여 Ti-6Al-4V 소재의 직사각형 면 적층을 수행하였 다. 적층 시 발생하는 기저부 및 적층부의 변위 변화를 측정하기 위하여 기저부의 한쪽 면을 고정한 후 적층 공정을 진행하였고 적층 후 기저부의 변위 변화를 측정하였다. 측정

(27)

된 변위 변화는 유한요소 해석 검증을 위하여 열-기계 해석을 통해 예측된 기저부의 변 위 변화와 비교하여 유한요소 해석 모델을 검증하였다.42)

2020년 Kiran 등은 InssTek MX-600 장비를 이용하여 DED 공정을 이용한 SUS316L 소 재 적층 공정을 진행하였다. 적층되는 비드 주위에 열전대를 부착하여 적층 중 발생하는 열 이력을 측정하였다. 온도의존 물성과 이동 열원을 고려한 유한요소 해석을 도출하여 실험으로 측정된 온도와 유한요소 해석을 통해 도출된 온도 결과를 비교하여 신뢰성을 높힌 유한요소 해석 시뮬레이션 모델을 도출하였다.43)

2020년 Cui 등은 레이저 용융 적층 (Laser melting deposition : LMD) 공정을 이용하여 곡면 위 적층 시 곡면 방향에 따른 열응력 발생 및 잔류응력 분포를 분석하였다. 잔류응 력 발생을 예측하기 위하여 상용 해석 프로그램인 Abaqus를 이용하여 열-기계 해석을 진 행하였다. 적층 진행 방향은 원통 형상의 기저부의 중심축에 수직 방향과 수평 방향으로 적층 공정을 진행하였고 원호 형상으로 적층하는 수평 방향 적층 시 냉각 후 발생하는 열응력과 잔류응력이 더 낮게 발생될 것으로 예측하였다.44)

2021년 Yunhui 등은 Inconel 718 재료를 이용한 적층 제조공정 중 발생하는 응력을 측 정하기 위해 x-ray를 이용하여 응력을 도출하였다. 이를 통해 적층 중 발생하는 급격한 온도 상승과 빠른 냉각의 열 이력에 의한 용융 된 재료들이 응고되면서 적층부 영역의 잔류응력이 높아지는 현상을 도출하였다.45)

2021년 Lu 등은 Ti-6Al-4V 소재를 이용하여 곡면 모서리 형상이 포함된 단일 얇은 벽 형상을 DED 공정을 통해 적층을 진행하였다. 적층 중 세 채널 (Channel) 의 열전대를 사 용하여 적층 중 기저부의 온도 변화를 도출하였다. 이후 열-기계 유한요소 해석을 통하여 경사각도 및 곡률 반경의 변화에 따른 기저부 상면의 잔류응력을 거리에 따라 도출하였 고 경사각도 및 곡률 반경이 완만해질수록 잔류응력이 감소함을 도출하였다.46)

각 연구에서는 DED 공정을 이용하여 적층 공정 수행 중 발생하는 열응력, 응력 집중 및 잔류응력의 발생을 유한요소 해석을 통해 예측하였다. 응력 집중 및 잔류응력 저감을 위하여 적층부 모서리 형상을 각도 및 곡률 반경으로 적용할 경우 발생하는 잔류응력을 실험과 해석적 기법을 통하여 분석하였다. 위와 같은 관련 연구를 조사 한 결과 적층 모 서리부의 형상을 완만하게 적층할 시 응력 집중 및 잔류응력을 저감 시킬 수 있음을 도 출하였다. 하지만 실험적 방법은 비용과 시간이 많이 소비되며 적층 중 발생하는 잔류응 력은 도출하기 어렵다. 따라서 유한요소 해석을 통해 잔류응력 발생을 예측할 수 있는 해 석 기법 개발 및 해석모델 개발이 필요하다. 해석 기법 및 모델 개발에 있어 관련 연구를 조사하였다. 대류 효과를 고려하여 유한요소 해석 기법에 적용하였고 열전대를 이용하여

(28)

적층 중 발생하는 열 이력을 도출하여 열원의 효율 적용 및 해석모델을 검증하였고 3차 원 유한요소 해석모델과 2차원 유한요소 해석모델 도출 기법을 도출하였다. 하지만 현재 까지 실험 및 유한요소 해석을 이용하여 국소 특징형상 적층 및 기저부의 특징형상이 잔 류응력에 미치는 영향에 관한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 경사 형상 의 국소 특징형상 적층 시 발생하는 잔류응력 특성분석을 열-기계 해석 및 실험을 통해 적정 경사 각도를 도출하였으며, 특징형상 기저부 위 3축 적층 및 5축 적층 시 적층량의 차이와 잔류응력 특성분석을 열-기계 해석 및 실험을 통해 적정 적층 방식을 도출하였다.

(29)

제 2 절 연구 목적 및 방법

1. 연구 목적

금속 재료를 이용한 적층 제조 (Additive Manufacturing : AM) 공정은 기존의 전통적 제 조방식과 비교하였을 때 산업 폐기물 감소 및 제작방식의 간소화로 발생하는 경제성 등 의 장점이 있지만, 적층을 진행할 때 Line-by-Line, Layer-by-Layer 로 진행되는 적층 공정 으로 인한 내부 기공 발생 및 적층 표면이 거칠며, 짧은 시간 발생하는 급속 가열과 급속 냉각으로 인한 잔류응력 발생과 같은 문제점이 있다.10) 적층 제품의 내부 기공은 적층 제 품의 밀도를 감소시켜 기계적 특성 감소를 발생시킬 수 있다. 잔류응력에 의한 결함은 Fig. 2 와 같이 제품에 균열 및 변형이 발생하며 이는 제품의 파괴에 주원인이 되며 가장 치명적인 문제가 될 수 있다.48,49)

Fig. 2 Defects of products manufactured by the metal AM process

적층 형상이 급변하는 구간에서는 Fig. 3 과 같이 응력 집중 현상이 발생한다. 응력 집 중 현상 역시 제품의 변형, 균열 및 파괴의 주요 원인이 되며 적층 형상이 급변하는 구간 인 적층 경계부에서 주로 발생한다.46) 적층 공정 이후 발생하는 적층 층에 의한 거친 표 면은 절삭, 연삭과 같은 후처리 공정 과정을 거쳐 개선 시킬 수 있다. 잔류응력 및 응력 집중 발생은 제품의 품질에 치명적인 결함이 될 수 있어 이를 개선하기 위한 활발한 연 구가 진행되고 있다.

(30)

Fig. 3 Concentration stress of products manufactured by the metal AM Process

본 연구의 주목적은 에너지 제어형 용착 (Directed Energy Deposition : DED) 공정을 이 용하여 S45C 기저부 위 Inconel 718 분말 소재를 이용하여 적층 모서리부 형상 별 적층 및 절삭 된 기저부 형상 위 적층 시 발생하는 잔류응력을 저감 시키기 위한 적정 적층 형상 및 기저부 형상을 선정하고자 한다. 적층 모서리부 형상 별 적층을 위해 챔퍼 (Chamfer) 형상 및 필렛 (Fillet) 형상을 적층하여 적절한 적층 형상을 선정하고 형상에 따 른 열-기계 특성을 분석하고자 한다. 절삭 형상 별 기저부 위 적층 시 발생하는 잔류응력 저감을 위하여 경사 각도 () 45o 경사면과 그에 접하는 곡률 반경 (R) 17 mm 곡면 위 3 축 적층과 5 축 적층을 수행하여 잔류응력을 저감시킬 수 있는 적절한 경로를 선정하고 경로에 따른 열-기계 특성을 분석하고자 한다.

2. 연구 방법

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.

(31)

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

(32)

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 (1st 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 45o 형상으로 절삭 된 기저부와 경사각도 45o 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.

(33)

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 () 90o의 얇은 벽 형상의 옆면에 경사각 도 15o, 30o, 45o 및 60o 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

(34)

(b) = 15o

(c) = 30o

(d) = 45o

(e) = 60o

(f) = 90o

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

(35)

(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)

(36)

1. 적층 모서리부 형상 별 유한요소 해석모델 개발

모서리부 형상 적층을 통하여 응력 집중 및 잔류응력을 저감 시키기 위한 챔퍼 형상 및 필렛 형상의 모서리부를 선정하기 위하여 Fig. 7 및 Fig. 8 과 같은 비드 형상 모델을 개 발하였다. 비드는 총 10 층이며 비드 너비는 1.0 mm, 이후 적층 되는 비드의 너비는 해치 (Hatch) 거리 0.5 mm 를 적용하였다. 각 층의 두께는 첫 번째 층 0.135 mm, 두 번째 층부 터는 0.25 mm 로 구성하였으며 유한요소 해석모델에 적용된 형상 치수는 Table 4 와 같고 한국생산기술연구원을 통해 제공된 데이터를 사용하였다. 실제 첫 번째 비드의 너비는 0.78 mm 이나 해치 (Hatch) 거리를 고려한 대칭의 비드 형상을 제작하기 위하여 해치 거 리의 2배인 1.0 mm 를 적용하였으며 첫 번째 비드의 폭은 전체 해석 결과에 미치는 영향 이 미비할 것으로 사료 된다.

(a) θ = 15o (b) θ = 30o

(c) θ = 45o (d) θ = 60o (e) θ = 90o

Fig. 7 Finite element meshes for different characteristic shapes (Chamfer)

(37)

(a) R = 5 mm (b) R = 10 mm

(c) R = 15 mm (d) R = 0 mm

Fig. 8 Finite element meshes for different characteristic shapes (Fillet)

Table 4 Characteristic dimensions of the deposition bead (provided by KITECH) Bead width

(μm)

Hatching distance (μm)

Bead hight (μm)

Layer Thickness (μm)

1,000 500 135 250

모서리부 적층 형상 별 유한요소 해석모델의 Path, 절점 및 격자 수는 Table 5와 같다.

Table 5 Number of paths, nodes and elements of FE models for different characteristic shapes Type of deposition

model Paths (EAs) Nodes (EAs) 3D Elements (EAs) θ = 90o (R = 0 mm) 30 10,024 10,552

θ = 60o 37 12,103 13,076

θ = 45o 40 12,763 13,512

θ = 30o 50 15,618 16,588

θ = 15o 70 21,112 22,428

R = 5 mm 54 17,873 18,988

R = 10 mm 66 21,973 23,548

R = 15 mm 74 24,105 25,868

(38)

기저부는 적층 후 고정 경계조건을 해제하였을 때 변위 변화를 분석하기 위하여 기본 형상인  = 90o (R = 0 mm) 의 너비의 30 배인 60 mm 를 적용하였고 가공할 수 있는 가 장 얇은 두께인 6 mm 를 적용하였다. 유한요소 해석모델 개발에는 ESI 사의 상용 유한요 소 해석 프로그램인 SYSWELD 15.5를 사용하여 도출하였다. 적층 방향은 균일한 응력분 포를 도출하기 위하여 교차 방향 (Alternative-direction) 으로 선정하였다. 대류 및 고정 경 계조건이 적용된 기저부의 형상은 Fig. 7 과 같다.

Fig. 9 Finite element model and boundary condition (θ = 90o and R = 0 mm)

2. 열원 모델 개발

본 연구에서는 DED 공정 중 LENS (Laser Engineered Net Shaping) 공정을 이용한다.

LENS 공정으로 적층 공정을 수행할 때 고밀도의 에너지원은 Laser 열원을 이용한다. 레이 저의 모드는 횡축 모드와 종축 모드로 나뉘어지며 그 중 레이저의 횡축 모드 (Transverse Electromagnetic Mode : TEM)의 TEM00 에서 최소 초점 크기와 최고의 에너지 밀도를 갖게 된다. TEM00 모드는 초점거리 외 거리에서도 그 형상을 유지할 수 있는 레이저 빔이다.47) 조사되는 레이저의 단면 에너지 분포를 보았을 때 가우시안의 분포를 보이며 열원의 형상 및 에너지 분포를 수학적으로 모델링 하기 위한 열원은 Fig. 10 과 같다.

(39)

Fig. 10 Heat flux model of laser

여기서 , ,  및  는 각각 열원의 하부 유효 반경, 상부 유효 반경, 침투 깊이 (Penetration depth) 및 열원 모델의 상부 위치이다. 열원의 반경은 실제 적층 공정에서 사용 되는 열원의 크기를 적용하였으며 열원의 침투 깊이는 생성된 Bead의 높이, 열원 모델의 상부 위치는 Bead의 상부 위치만큼 설정하였다. 레이저 열원 (Heat flux)의 기본 모델링 식 은 식 (1)와 같으며 열원의 최대 파워 밀도는 식 (2), 침투 깊이에 따른 적용 범위는 식 (3) 과 같다.19)

   ∙

∙ exp

 

× 

   

(1)

 

  

(2)

    

 

   (3)

여기서         ,  및  는 x, y 및 z 좌표, 열원의 효율, 표준 열원 강도, 열원 중심으로부터 반경 방향 위치, 열원의 형상계수, 침투 깊이에 따른 레이저의 유효 범 위, 레이저의 파워 및 침투 깊이이다.

(a) Intensity distribution of heat flux (b) Aspect ratio of HAZ

Fig. 11 Influence of shape coefficient on the intensity distribution of the heat flux and the aspect ratio of HAZ

(40)

본 연구에서 사용된 열원의 형상계수 C는 16 이고 열원의 형상은 Fig. 11 과 같으며 원 통형 형상에 가까운 가우시안 열원이 적용되었다. 열원의 직경은 1.0 mm 이며 열원의 상부 반경에 하부 반경이 최대한 근접하게 설정하여 열원을 적용하였다. 열원은 설정된 경로를 따라 이동을 고려한 이동 열원 (Moving heat flux) 이며 실제 열원은 공정 중 발생하는 파장 의 반사 및 물질의 증발 등과 같은 다양한 변수로 인하여 실제 전력보다 적게 적용되기 때 문에 이러한 예측할 수 없는 열 손실은 식 (1) 와 같이 열원의 효율을 이용하여 고려하였 다.

3. 적층 모서리부 형상 별 유한요소 해석을 위한 데이터 도출 가. 자연 대류 및 강제 대류 경계조건 데이터 도출

자연 대류는 레이저가 조사되지 않거나 냉각 중 발생하며 적층 공정 중 발생하는 강제 대류와는 다르게 기저부의 벽면에는 항상 자연 대류가 발생하며 Fig. 12 와 같다.

Fig. 12 Application region of the natural convection on the surface of the substrate 자연 대류는 보호 가스가 분사되지 않는 공기 중에 노출되어 있으므로 자연 대류 경계 조건을 도출하기 위해서는 공기의 온도의존 물성 데이터가 필요하며 공기의 온도의존 물성 데이터는 Fig. 13 과 같다.

Fig. 13 Temperature dependent material properties of air19)

참조

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