1. 서 론
3D 프린팅은 4차 산업혁명의 핵심기술 중 하나 로서 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있다. 금속, 플 라스틱 및 음식 등 다양한 재료에 대한 3D 프린팅 공정들이 개발 및 상용화되었으며 현재도 꾸준히 개발되고 있다. 선택적 레이저 용융(Selective laser melting : SLM) 공정은 분말베드융해(Powder bed fusion : PBF) 공정 중 하나로서 레이저 열원으로 분말 형태의 소재를 완전 용융 및 응고시켜 3차원 형상 제품을 제조하는 공정이다[1~3].
SLM 공정은 전통 생산 공정 대비 높은 설계 자 유도 및 낮은 재료사용비(Buy to fly ratio)를 가지며 다른 금속 3D 프린팅 공정 대비 변형 및 잔류응력 이 낮은 특징을 가지고 있다. 또한, 소재를 완전 용 융하기 때문에 기계적 특성이 원소재와 유사하여 기계부품 제작에 사용하기 적합하다. SLM공정은 자동차, 전자, 의료 산업과 같이 다품종 소량 생산 을 요구하는 다양한 산업에서 활용 되고 있으며 일 부 폴리머 재료의 경우 대량 생산에도 적용되고 있 다[2~5].
스테인리스강(Stainless steel) SUS316L 소재는 내 부식성, 내열성 및 용접성이 우수하여 산업 수요가 높은 재료이다. 3D 프린팅 공정을 활용하여 SUS316L 제품을 성공적으로 제작하기 위해서는 공 정 변수에 대한 연구가 필요하다. 부적합한 공정 조건이 적용될 경우 적층 제품 내 층간박리, 기공, 형상 무너짐, 기계적 물성 저하 등 다양한 결함이 발생되기 때문이다[6~9].
L.N.Carter[10] 및 Simchi[11]는 SLM 공정에서 레이 저 출력 및 스캔속도를 이용하여 에너지 밀도를 도 출 하였으며 소재별 에너지밀도와 기공률의 상관관 계에 대한 연구를 수행하였다. T.Peng[12] 및 Thijs[13] 는 제품 제작 특성에 직접적인 영향을 미치는 변수 가 에너지밀도라고 주장하였다. 그들의 연구에서는 에너지 밀도에 따른 제품 제작특성 및 미세조직 변 화를 고찰하였다. D.Zhang[14]은 SLM 공정에서 적층 공정 변수에 따른 금속 조직 변화 분석에 대한 연 구를 수행하였다. Kempen[15]는 SLM 밀도 표면 품 질과 같은 물리적 특성과 생산성과 경제적 측면을 고려한 공정연구를 수행하였다.
대부분 연구에서는 장비 시스템에서 직접적으로 조절 가능한 변수인 레이저 출력, 스캔속도, 해칭간 격 및 적층 높이 등을 사용하여 에너지 밀도를 주 요 변수로 선정하고 이에 대한 영향성을 고찰하고 있다. 그러나, 적층 제품의 특성을 면밀히 분석 및 고찰하기 위해서는 열원 변수에 따른 적층 비드 폭 변화가 함께 고려되어야 하며 이를 통해 계산된 비 드 중첩률이 함께 고찰되어야 한다[16,17].
본 연구에서는 SLM 공정으로 제작된 SUS316L 시편의 에너지 밀도 및 비드 중첩률에 따른 기계 적 특성 변화를 분석하고자 한다. 이를 위하여 적 층 공정 변수에 따른 육면체 시편 제작 실험을 수 행하고자 한다. 육면체 시편 제작 실험의 변수는 레이저 출력, 비드 중첩률, 스캔 속도, 적층 높이 이며 비드 중첩률은 단일선 비드 적층 실험을 수 행하여 도출하고자 한다. 육면체 시편 제작 실험 결과를 통하여 에너지 밀도 및 비드 중첩률에 따 른 내부 기공율, 표면 조도, 경도변화를 분석 및 고찰하고자 한다. 이 결과들로부터 SUS316L 소재 를 SLM 공정으로 제작하기 위한 적정 에너지 밀 도 및 비드 중첩률 범위를 제시하고자 한다.
2. 실험 방법
2.1 실험 장비 및 소재
실험에 사용된 장비는 REALIZER 사의 SLM-125 장비이며 장비 사진 및 개략도는 Fig. 1과 같다. 적 층 공정은 예열, 분말공급, 적층, 냉각 순서로 진행 된다. SLM-125 장비는 공정중 산화 및 온도제어를 위하여 챔버 시스템을 사용하고 있다. 예열 단계에 서는 챔버 내부에 질소 가스를 주입하여 내부 잔존 산소량을 0.3% 이하로 낮추어 불활성 가스 분위기 로 유지하였다. 그 후 적층 공정 중 분말의 융착성 을 향상시키기 위하여 적층 기판을 30분 동안 150 ℃ 수준으로 가열하였으며 가열 후 시스템 내 열평 형 상태를 유도하기 위하여 1시간 동안 온도를 유 지하였다. 분말 공급 단계는 리코터(Recoater)를 회 전시켜 챔버 내부에 공급된 분말을 예열된 적층기 판 위로 이송하였다. 적층 공정은 레이저 시스템을 통하여 적층 기판 위에 도포된 분말을 선택적으로 용융 및 응고시키는 공정이다. SLM-125 장비의 열 원 종류, 직경, 최대출력 및 파장은 각각 Ytterbium fiber laser, 72㎛, 400W 및 1,076nm이다. 냉각 공정 은 시편 제작 후 시편의 조직 안정화 및 취출시 고 온산화 억제를 위하여 적용되었으며 3시간 동안 진 행되었다.
실험에 사용된 소재는 SUS316L 소재의 성분비 는 Table 1과 같다. 분말의 크기는 평균 35㎛이며, 분말 형상 및 입도 측정 결과는 Fig. 2와 같다. 분 말 형상은 Hitachi 사의 SU8020 장비 FE-SEM을 통하여 측정하였다. D10, D50 및 D90은 각각 측 정된 분말의 누적 분율이 10%, 50% 및 90% 일 때의 분말 크기이다. 입도분석은 LD(Laser Diffraction) 방식의 Malvern 사의 Mastersizer-3000 장비를 사용하여 측정하였다.
2.2 실험 방법 및 절차
SLM 공정으로 제작된 SUS316L 시편의 에너지 밀도 및 비드 중첩률에 따른 기계적 특성 변화 분 석하기 위하여 두 단계에 걸친 실험을 진행하였 다. 첫번째 단계는 단일 비드 적층 실험이다. 단일 비드 적층 실험은 레이저 출력 및 스캔 속도에 따 른 적층 비드의 형상변화를 분석하고 육면체형상 적층시 적용되는 비드 중첩률을 계산하기 위하여 진행되었다. 단일 비드 적층 실험은 두 가지의 실 험 변수를 완전요인 배치하여 총 9가지 조건에 대 한 실험을 수행하였으며 그 범위는 Table 2와 같 다. 단일 비드의 길이는 100mm이다. 단일 비드 적층 실험을 통하여 적층 비드 상면과 단면을 측 정하여 레이저 출력 및 스캔 속도에 따른 비드의 치수 및 특징 변화를 분석한 후 비드 중첩률에 따 른 비드간 거리를 도출 하였다. 비드 중첩률 도출 한 개략도는 Fig. 3과 같으며, 비드 중첩률 계산에 사용된 수식은 식 (1)과 같다.
여기서 ∅, bw, h, 및 md 는 각각 비드 중첩률, 비드 폭, 비드간 거리 및 용융 깊이 이다. 비드간 거리는 비드 간 중간선의 간격이다. 단일 비드 형 상 및 치수 변화 분석에는 Zeiss사의 SteREO, V20 장비 광학 현미경(Optical microscopy)을 사용하였 다.
두번째 단계는 육면체형상 적층 실험이다. 육면 체 형상 적층 실험은 에너지 밀도 및 비드 중첩률 이 제작에 미치는 영향성을 분석하기 위하여 진행 되었다. 육면체형상 적층 실험은 네 가지 변수를 완전요인 배치하여 총 81가지 조건에 대한 실험을 수행하였으며 실험 변수 및 범위는 Table 3과 같다. 육면체형상 적층 시편의 크기는 10mm × 10mm × 2mm이다. 비드간 중첩률은 단일 비드 적층 실험 을 통하여 도출한 레이저 출력 및 스캔 속도에 따 라 변화하는 비드 폭이 고려된 비드간 거리를 적 용하였다. 육면체형상 적층 실험을 통하여 적층 공정 변수가 시편 형상, 내부 기공률, 표면 조도, 및 경도 변화에 미치는 영향을 분석 하였다.
또한, 이 결과로부터 적층공정에 적용된 에너지 밀도 및 비드 중첩률에 따른 적층 시편 특성 변화 를 분석/고찰 하였다. 에너지 밀도 계산에 사용된 수식은 식(2)[18]와 같다.
여기서 P , L t , Vs , 및 h 는 각각 레이저 출력, 적 층 높이, 스캔 속도, 및 비드간 거리이다.
시편 형상, 내부 기공률 및 표면조도 분석에는 광학 현미경 및 Olumpus사의 OLS4100-SAA 장비 다초점 현미경(Confocal microscopy)을 사용하였다. 경도는 적층 시편의 단면 중앙부에서 기공을 피하 여 측정 되었으며, Matsuzawa사의 AMT-X7FS 장 비 마이크로 비커스 경도(Micro vickers hardness) 시 험기로 측정 하였다. 경도 측정시 적용 하중은 1 N 이며 압입자의 종류 및 대면각도는 피라미드형 다이아몬드 및 136° 이다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 레이저 출력 및 스캔속도에 따른 적층 비드 형상 및 치수 변화 분석
단일 비드 적층 실험을 통하여 도출된 레이저 출력 및 속도에 따른 적층 비드의 형상 변화 분석 결과는 Fig. 4와 같다. 모든 조건에서 단일 비드 적층이 가능함을 확인 할 수 있었다. 그러나 스캔 속도가 1,500 mm/s 이며 레이저 출력이 100W 및 150W인 조건에서는 용융 풀이 불연속으로 분리되 는 볼링(balling) 결함[19]이 발생 하는 것을 Fig. 4(a)의 결과로부터 확인 할 수 있었다. 해당 조건 들에서는 비드 적층에 적용된 열원 에너지가 부족 하기 때문으로 사료된다. 또한 Fig. 4(b)의 결과로 부터 볼링 결함이 발생 한 경우에는 적층 비드가 언더컷(Undercut) 형상으로 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 단일 비드 적층 실험을 통하여 도출된 레이저 출력 및 속도에 따른 적층 비드의 치수 변 화 분석 결과는 Fig. 5와 같다. 해당 실험 구간에 서는 적층 비드의 폭이 레이저 출력 및 스캔속도 에 따라 레이저 빔 직경 대비 125 - 239% 크기로 생성 되며 스캔속도 및 레이저 출력이 각각 500mm/s 및 200W인 조건에서 172㎛로 가장 넓게 측정되었다.
적층 비드 폭은 레이저 출력이 증가하거나 스캔 속도가 감소할 경우 증가하였다. 이는 레이저 출 력 및 스캔 속도가 감소할 경우 입열량이 증가되 기 때문으로 사료된다. 모든 실험조건에서 적층 비드 폭이 레이저 빔직경 보다 크게 생성되었다. 이는 열전도에 의해 레이저 빔이 적용된 영역 주 변이 함께 용융되었기 때문이다.
비드 높이는 공정 조건에 따라 초기 분말 공급 높이의 16 - 50% 수준으로 측정되었으며 비선형 적 거동을 가짐을 확인 할 수 있었다. 최소 적층 비드 높이는 스캔속도 및 레이저 출력이 각각 1,500mm/s 및 200W인 조건에서 약 6㎛로 관찰 되 었다. 모든 공정 조건에서 적층 비드의 높이가 초 기 분말 공급 높이보다 낮게 생성되는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 비체적이 큰 분말층이 용융 및 적층 단계를 거쳐 적층 비드로 변화하면서 비 체적이 감소하기 때문으로 사료된다.
용융 깊이는 스캔 속도가 1,000mm/s 이상이 이 상인 구간에서는 변화 곡선의 기울기가 -0.05 - 0.34 수준으로 레이저 출력에 따라 변화하는 비선 형적 거동을 가짐을 확인할 수 있었다. 스캔 속도 가 500mm/s인 구간에서는 레이저 출력에 따른 용 융 깊이 변화 기울기가 최대 0.42 수준까지 소폭 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
3.2 레이저 출력, 스캔속도 및 비드 중첩 률에 따른 적정 비드 간격 도출
레이저 출력 및 스캔속도에 따른 적층 비드 형 상 및 치수 변화 분석 결과를 활용하여 비드 중첩 비율, 레이저 출력, 스캔 속도에 따른 적정 비드 간격을 Fig. 6과 같이 도출 하였다. 이 결과는 육 면체형상 적층 실험에 활용하기 위하여 도출 하였 으며 적층 높이 40㎛인 실험결과를 활용하였다.
3.3 에너지 밀도 및 비드 중첩률에 따른 적층 시편 기계적 특성 변화분석
3.3.1 에너지 밀도 및 비드 중첩률에 따른 적 층 시편 내부 기공율 특성
SLM 공정으로 육면체 형상을 적층하고 레이저 출력, 스캔 속도, 적층 높이, 및 비드 중첩 비율에 따른 시편의 기공율을 Fig. 7과 같이 측정하였다. 기공의 형성 원인은 분말 층에 가해지는 열에너지 가 모든 분말을 녹이기에 충분하지 않아 기공내부 에 녹지 않은 분말이 잔존함으로 인해 생기게 된 다. 이 같은 현상으로 형성된 기공은 층간기공으 로 불리며 그 크기는 레이저 출력, 스캔속도 및 비드 중첩률에 따라 달라지게 된다. 에너지 밀도 가 20 - 60J/㎣인 구간에서는 공정 조건에 따라 적층 시편의 기공율이 0.01 - 56.63% 수준으로 측 정되었다. 에너지 밀도가 60 - 78J/㎣인 구간에서 는 공정 조건에 따라 적층 시편의 기공율이 0.01 - 12.37% 수준으로 측정되었다. 그러나 에너지 밀 도가 78J/㎣ 이상인 구간에서는 에너지 밀도 수준 에 상관없이 기공율이 0.51% 이하로 감소하였다. 이 결과로부터 SUS316L 적층 시편의 기공을 억제 하기 위해서는 에너지 밀도를 78J/㎣ 이상 적용하 여야 함을 확인할 수 있었다.
Fig. 8은 에너지 밀도가 약 78J/㎣ 일 때 비드중 첩률에 따른 상대밀도 비교 결과이다. 이 구간에 서는 비드 중첩률이 0%에서 25%로 증가할 때 적 층시편 상대밀도가 3.48% 소폭 개선되었다.
비드 충접률이 25%에서 50%로 증가할 경우에 는 적층 시편 상대 밀도가 0.08%로 개선되었다. 이 결과들로부터 내부 기공을 억제하는 적층 시편 을 제작하기 위해서는 비드 중첩률이 25% 되어야 함을 알 수 있었다. 비드 중첩률이 50% 일 때 시 편 상대밀도가 가장 우수하지만 생산성을 고려할 때 25%의 비드 중첩률을 활용하는 것이 적합한 것으로 판단되었다.
3.3.2 에너지 밀도 및 비드 중첩률에 따른 적 층 시편 표면 조도 특성
에너지 밀도 및 비드 중첩률에 따른 적층 시편 의 평균 표면 조도(Ra) 변화 특성을 Fig. 9와 같이 분석하였다. 50J/㎣ 이하의 에너지 밀도가 낮은 구 간에서는 표면 조도 측정이 불가능한 실험군에 대 한 데이터는 제외하여 분석하였다. 에너지 밀도가 10 - 50J/㎣인 구간에서는 공정 조건에 따라 적층 시편의 표면조도가 0.3 - 5.1㎛ 범위로 측정되었 다. 에너지 밀도가 50 - 78J/㎣인 구간에서는 공정 조건에 따라 적층 시편의 표면조도가 0.6 - 4.3㎛ 범위로 측정되었다. 에너지 밀도가 78J/㎣ 이상인 구간에서는 최대 표면 조도가 1.5㎛로 측정되었다. 표면 조도와 에너지밀도의 상관관계를 선형회귀분 석한 결과 추세선의 기울기는 비드 중첩률이 0, 25 및 50% 일 때 각각 -0.04, -0.03 및 -0.02로 나타났다. 이 결과들로부터 SUS316L 적층 공정은 에너지 밀도가 증가함에 따 라 표면조도 특성이 개선되는 것을 확인할 수 있 었다. 이는 적층에 사용된 에너지밀도가 증가함에 따라 적층 표면의 요철부가 완전 용융되었기 때문 으로 사료된다.
에너지 밀도가 약 78J/㎣ 일 때 비드 중첩률에 따른 적층 표면 형상을 비교한 결과는 Fig. 10과 같다. 비드 중첩률이 0%인 경우 적층 표면에 비 드 형상이 반복적으로 생성되었으며 표면조도가 1.08㎛로 측정되었다. 비드 중첩률이 25%인 경우 적층 표면의 비드형상이 일부 중첩되어 생성되었 으며 표면조도가 0.62㎛로 측정되었다. 비드 중첩 률이 50%인 경우 적층 표면의 비드를 구분하기 어려웠으며 표면조도가 0.53㎛로 측정되었다. 이 결과들로부터 비드 중첩률 조절을 통하여 적층 시 편의 표면 품질 개선이 가능하나 비드 중첩률이 25% 이상인 경우에는 큰 차이가 없는 것을 확인 할 수 있었다.
3.3.3 에너지 밀도 및 비드 중첩률에 따 른 적층 시편 경도 특성
에너지 밀도 및 비드 중첩률에 따른 시편 경도 특성을 Fig. 11과 같이 분석하였다. 에너지 밀도가 70J/㎣ 미만인 영역에서는 시편 경도가 164 - 255HV 수준으로 측정되었다. 에너지 밀도 70J/㎣ 이상인 경우에는 235 - 252HV 수준으로 측정되었으며 데 이터의 산포가 확연하게 줄어듦을 확인할 수 있었 다. 특히 에너지 밀도가 70J/㎣ 이상 실험조건들은 적층 시편의 경도가 ASTM A240 규격에서 요구되 는 SUS316L 수치보다 높아 기계적 강도가 우수한 것으로 확인되었다. 기공율이 안정화되기 시작하 는 에너지 밀도가 78J/㎣ 수준일 때 비드 중첩률 에 따른 시편 경도를 비교 분석한 결과는 Fig. 12 와 같다. 적층 시편의 경도는 비드 중첩률이 0% 인 경우 경도는 232 - 239 HV 수준으로 측정되었 다. 비드 중첩률이 25%인 경우 235 - 242HV 수 준, 비드 중첩률이 50%인 경우 239 - 243HV 수준 으로 측정되었다. 비드 중첩률이 증가할수록 경도 가 증가하는 양의 상관관계에 있지만, 기계적 물 성에 차이를 거론할 정도로 큰 영향은 없는 것으 로 확인되었다.
이 결과들로부터 적층 시편의 경도 특성은 에너 지 밀도에 다소 의존적이며 비드 중첩률에 대한 영향은 다소 적은 것으로 확인되었다.
4. 결 론
SLM 공정으로 제작된 SUS316L 시편의 에너지 밀도 및 비드 중첩률에 따른 기계적 특성 변화를 분석 및 고찰 하였다.
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1. 레이저 출력 및 스캔 속도에 따라 적층 비드의 형상 및 치수 변화 특성을 분석하였다. 그 결과 로부터 비드 중첩 비율, 레이저 출력, 스캔 속 도에 따른 적정 비드 간격을 제시할 수 있었다.
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2. 에너지 밀도 및 비드 중첩률 변화에 따른 적층 시편 기공율 변화 특성을 분석하여 시편 기공 율의 안정 및 최소화를 위해서 에너지 밀도가 78J/㎣ 이상 되어야 함을 알 수 있었다. 이때 비드 중첩 비율은 25% 이상 적용하여야 함을 알 수 있었다.
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3. 적층 시편 표면 조도는 내부 기공율과 유사한 특성을 보였으며 표면 조도를 안정 및 최소화 하기 위해서 에너지 밀도를 78J/㎣ 이상 적용하 여야 함을 알 수 있었다. 이때 비드 중첩 비율 이 높아질수록 표면조도가 개선되나 생산성을 고려하면 25%가 적합함을 알 수 있었다.
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4. 시편 경도는 에너지 밀도가 70J/㎣인 수준에서 비드 중첩 비율과 관계없이 ASTM 240 규격에 서 요구되는 경도 수준 이상을 가지는 것을 확 인할 수 있었다.
향후 연구에서는 PBF 공정으로 적층된 SUS316L 시편의 공정변수에 따른 인장, 피로 및 부식 특성 을 분석하고 변수 간 상관관계 분석 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.