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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.20 No.9 pp.1-10
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2021.20.09.001

A Study on the Method and Application of Shaft Repair using Directed Energy Deposition Process

Yoon Sun Lee*, Min Kyu Lee*, Ji Hyun Sung*, Myeong Pyo Hong*, Yong Son**, Seouk An***, Oe Cheol Jeong***, Ho Jin Lee*#
*Smart Manufacturing Technology R&D Group, KITECH
**Advanced joining & Additive Manufacturing R&D Department, KITECH
***Naval Ship Yard, Republic of Korea Navy
#Corresponding Author : hlee3@kitech.re.kr Tel: +82-54-463-8567, Fax: +82-53-580-0120
03/06/2021 09/09/2021 17/08/2021

Abstract


Recently, the repair and recycling of damaged mechanical parts via metal additive manufacturing processes have been industrial points of interest. This is because the repair and recycling of damaged mechanical parts can reduce energy and resource consumption. The directed energy deposition(DED) process has various advantages such as the possibility of selective deposition, large building space, and a small heat-affected zone. Hence, it is a suitable process for repairing damaged mechanical parts. The shaft is a core component of various mechanical systems. Although there is a high demand for the repair of the shaft, it is difficult to repair with traditional welding processes because of the thermal deformation problem. The objective of this study is to propose a repair procedure for a damaged shaft using the DED process and discuss its applications. Three types of cases, including a small shaft with a damaged surface, a medium-size shaft with a worn bearing joint, and a large shaft with serious damage, were repaired using the proposed procedure. The microstructure and hardness were examined to discuss the characteristics of the repaired component. The efficiency of the repair of the damaged shaft is also discussed.



직접식 에너지 용착 공정을 활용한 축 보수 방법 및 활용 사례 연구

이 윤선*, 이 민규*, 성 지현*, 홍 명표*, 손 용**, 안 석***, 정 외철***, 이 호진*#
*한국생산기술연구원 스마트제조기술연구그룹
**한국생산기술연구원 접합적층연구부문
***대한민국해군 해군정비창

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    금속 적층 제조(metal additive manufacturing) 장비 및 기술이 보급됨에 따라 다양한 응용기술 개발에 대한 관심이 증대되고 있다. 금속 3D 프린팅을 활 용한 손상 부품 수리 및 재생산은 제작 일정 단축, 원가 절감 및 노후부품 재사용 등의 이유로 기계 산업에서 관심이 매우 높다. 그 중 축(shaft) 제품은 수요가 매우 높고 다양한 기계의 핵심 부품으로 사 용되고 있다. 축 제품의 대표적인 손상은 변형 (deformation), 국부적 마모(wear), 일부 형상 파손 (fracture) 등으로 분류할 수 있다. 축 제품에 손상이 발생하게 되면 기계장비 작동 시 진동(vibration) 및 소음(noise)이 발생하여 장비 오작동의 원인이 되거 나 심할 경우 장비를 정상적으로 작동할 수 없게 된다. 저가의 소형 규격품의 경우 소모성으로 교체 할 수 있지만 고가의 특수 제작된 축에 손상이 발 생할 경우 막대한 제작비용은 물론 교체품이 없으 므로 축을 제작하는 동안 장비를 사용하지 못하게 된다.

    산업현장에서는 작은 일부 영역 손상으로 축 전 체를 교환해야 하는 경우가 많아 비용낭비와 일정 소요에 종종 어려움을 겪고 있다. 이를 해결하기 위하여 용접(welding)으로 보수를 시도하는 경우도 있지만 열영향부(heat affected zone)가 큰 용접 공정 특성상 변형에 민감한 축 제품을 보수하기 쉽지 않다.

    금속 3D 프린팅 기술 중 DED(Directed Energy Deposition) 공정은 고출력 레이저(laser)로 모재를 녹여서 만든 용융풀(molten pool)에 금속분말이 첨 가되고, 금속분말이 함께 녹으면서 적층되는 방식 이다[1~6]. DED 공정으로 적층할 경우 적층공정 특 성상 국부적으로 급속 용융 및 냉각이 반복되므로 급랭조직이 생성되어 기계적 특성이 우수하다[7~9].

    DED 공정은 다른 금속 3D 프린팅 공정과 비교 하여 제품 크기에 대한 제약이 적고 원하는 영역을 선택적으로 적층 할 수 있어 일부 형상이 손상되어 수리가 필요한 제품들을 보수하기 적합하다. DED 공정은 용접공정과 유사하지만 1mm 수준의 작은 직경을 가지는 레이저 빔(laser beam)을 사용하여 수백 ㎛ 높이로 반복 적층 한다. 이로 인하여 DED 공정은 용접공정 대비 열영향부 크기가 작아 모재 열 변형(thermal deformation)이 적고 적층부 품질이 우수하다. 또한, DED 공정은 원소재의 재질과 다른 이종소재(dissimilar material)를 적층하여 경도 및 내 식성 향상과 같은 기능성을 부여할 수 있다는 장점 이 있다[10].

    DED 공정의 장점들이 보고됨에 따라 다양한 산 업에서 노후 기계 부품들의 보수방법으로 큰 관심 을 보이고 있으며 관련 연구들이 꾸준히 진행되고 있다. Sun 등은 DED 공정을 이용한 고강도 강의 보수와 공정변수에 대한 연구를 진행하였다. 그들 의 연구에서는 DED 공정을 통하여 제품 보수를 진 행할 경우 열처리 효과 부여 및 기계적 특성 향상 이 가능하여 보수시간 및 비용을 절약할 수 있음을 확인하였다[11].

    Ramani 등은 DED 공정을 활용하여 용접이나 기 존공정으로 수리가 어려운 Nistelle 625 초합금 소재 터빈 블레이드(turbine blade)를 보수하였다. 그들의 연구에서는 DED 공정으로 보수 된 제품의 강도 및 연성이 원소재와 유사하여 성공적으로 보수되었으 며 새 부품을 제작하는 것보다 제작비용이 36% 절 약 가능한 것으로 확인되었다[12]. Oh 등은 금속 적 층 제조 기술 중의 하나인 PBF(Powder Bed Fusion) 공정으로 제조되었던 제품을 DED 공정으로 보수하 는 연구를 진행하였다[13]. 이와 같이 DED 공정을 활용한 기계부품보수에 대한 다양한 연구가 진행되 고 있으나 축 부품을 성공적으로 보수하는 절차를 제시하고 검증하는 연구는 다소 미흡하였다.

    본 연구에서는 금속 3D 프린팅 공정 중 하나인 DED 공정을 활용한 축 보수 방법을 제안하고 이를 이용한 노후 축 보수 사례를 고찰하고자 한다. 축 제품의 특성을 고려하여 분석, 설계 및 보수로 구 성 된 DED 공정 활용 보수 방법 및 절차를 제시하 고자 한다. 총 세 가지 타입의 부품(표면이 손상된 소형 축, 베어링 결합부가 마모된 중형 축 및 축 일부 형상이 손상된 대형 축)을 선정하여 보수를 진행하고자 한다.

    DED 공정으로 보수한 축 제품들의 형상분석, 미 세조직 분석, 경도특성 및 공정 효율성 분석을 수 행하여 제안된 방법 및 절차의 활용성을 고찰하고 자 한다. 또한, DED 공정으로 보수한 축 제품들의 새 제품 제작과 비용, 보수시간 및 소재 사용량 측 면을 비교하여 DED 공정으로 축 제품을 보수할 때 가지는 이점을 분석 및 고찰하고자 한다.

    2. 실험 방법

    2.1 실험 장비

    본 연구에 사용된 장비는 DED 방식의 금속 3D 프린터(MX-3, Insstek Inc.)이다. Fig. 1은 MX-3 장비 사진 및 공정개념도이다. 실험에 사용된 장비는 2kW의 Yb:YAG (IPG fiber Laser)레이저 시스템이 포함되어 있으며, MX-CAM 소프트웨어를 사용하여 운용되는 3축 장비이다. 레이저 빔 사이즈는 1 mm 이고, 3개의 분말 호퍼(hopper)에 의해서 분말 공급 이 이루어진다. 모재표면으로부터 9 mm 떨어진 노 즐에서 레이저빔과 함께 분말을 공급한다. 이때 용 융풀의 형상을 관찰할 수 있도록 CCD 카메라가 장 착되어 있다. 공정 중 공정 중 산화를 방지하기 위 한 보호가스(shielding gas) 와 분말 운반 가스 (powder carrier gas)는 아르곤(Ar)을 사용하였다.

    2.2 절차 및 방법

    DED 공정을 이용한 축 부품 보수에 Fig. 2와 같 은 절차를 적용하였다. 보수 절차는 적층설계 를 위한 분석, 적층설계 및 DED 공정을 활용 한 보수, 총 세 가지 단계로 구성된다.

    세 가지 타입의 축 부품을 선정하였다. 대상 축 들의 형상, 크기 및 특징은 Fig. 3과 같다. Type A 는 길이 및 직경이 300mm × 20mm인 소형 축이다. Type A 축의 소재는 S45C이며 형상은 Fig. 3(a)과 같다. Type A 축의 경우 미끄럼마찰에 의하여 축 표면 일부에 0.2mm 깊이로 스크래치가 발생하였다.

    Type B 는 중형 축으로 소재는 SUS304이며 제품 길이 및 직경은 각각 660mm 및 55mm이다. Type B의 형상은 Fig. 3(b)와 같다. 이 부품의 경우 베어링과 맞닿는 부위가 마모된 부품이다. 마모부에 균열과 같은 결함은 관찰되지 않았으며 마모 깊이 및 길이 는 0.3mm 및 20mm 수준으로 관찰되었다. Type C 는 축의 외경 일부가 마멸되어 유실된 대형 축이며 형상은 Fig. 3(c)와 같다. 축의 몸통부 모서리가 마 멸되었으며 마멸된 영역의 폭과 깊이는 11mm 및 8mm이다.

    본 연구에서는 세 가지 타입의 축을 DED 공정으 로 보수하고 특징을 고찰하고자 한다. 이를 위한 적층 설계 및 조건은 Fig. 4 및 Table 1과 같다. Type A의 적층 설계는 Fig. 4(a)와 같다. 적층 소재 는 모재와 동일한 S45C로 선정하였다. Type B를 보수하기 위한 적층 설계안은 Fig. 4(b)와 같다. 적 층 소재는 적층 특성과 작동환경을 고려하여 축과 동일한 소재인 SUS304로 선정하였다.

    DED 공정으로 Type C를 보수하기 위한 적층 설계 안은 Fig. 4(c)와 같다. 가공면의 경사는 적층 특성 을 고려하여 40° 로 적용하였다. 대형 감속기 축의 소재는 16MnCrS5 이나 대형 감속기 축의 마모부 기능성 강화를 위하여 이종 재료 적층을 진행하였 다. 적층 재료는 원소재의 조성, 기계적 특성 및 작 동환경을 고려하여 P21로 선정하였다. 세 가지 모 델의 적층경로는 부품 운용 시 발생하는 미끄럼마 찰을 고려하여 적층비드가 생성되도록 하였다.

    세 가지 보수부품에 대한 부품 및 적층 소재는 Table 2에 나타내었다. 축 보수에 사용된 분말들의 형상 및 입도는 Fig. 5와 같다. 세 종류의 분말 모 두 구형 분말을 사용하였다. S45C, SUS304 및 P21 분말들의 평균입도는 각각 107㎛, 134㎛ 및 102㎛ 이다.

    적층 설계안을 활용하여 손상된 축들을 보수한 후 공정 효율성을 고찰하기 위하여 DED 공정으로 보수된 축들의 형상분석, 미세조직, 경도 및 효율성 평가를 수행하고자 한다. 형상분석에는 광학 이미 지(optical microscope)을 사용하여 가공 완료 후 균 열, 계면박리 등의 결함여부를 확인하였다. 또한 보 수 전 후의 변형량 분석을 위해 접촉식 3차원 측정 기(coordinate measuring machine)을 활용하여 적층 전/ 후의 직진도를 측정 및 평가하였다. 모재부와 적층부의 미세조직 분석 및 내부 결함 유무를 확인 하기 위하여 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscope, JEOL LTD.)을 사용하여 보수품의 단면을 추출하여 미세 조직을 분석하였다. 모재부와 적층부의 경도특성 분석 및 기능성 강화 특성을 고찰하기 위하여 비커 스경도기(micro vickers hardness, BUEHLER)를 활용 하여 경도를 측정하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 DED 공정을 이용한 축 형상분석

    DED 공정을 활용한 축 보수 절차를 활용하여 세 가지 타입의 축 부품을 보수 하였다. Type A 부품 보수를 수행한 결과는 Fig. 6과 같다. 댐퍼 축 부품 의 경우 종횡비가 15 수준이어서 뒤틀림 변형의 이 유로 용접으로 보수하기 쉽지 않으나 제안된 절차 및 DED 공정을 활용할 경우 축 휨이나 변형 없이 보수 가능함을 확인할 수 있었다.

    Type B 축 보수를 진행한 결과는 Fig. 7과 같다. 이 부품의 경우 종횡비가 12이며 보수하여야 하는 영역에 90° 로 수직인 형상을 가지고 있어 용접으로 보수할 경우 축 변형이나 모서리 부에서 결함이 발 생할 수 있으나 DED 공정으로 보수할 경우 결함이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 적층 경계 부 의 경우에도 후가공 시 깨끗하게 제거되어 적층 영 역과 비 적층 영역의 경계가 발생하지 않았다.

    적층설계 데이터를 기반으로 Type C 축 부품 보 수를 진행한 결과는 Fig. 8과 같다. 이 부품의 경우 23,462mm3 수준의 큰 체적을 보수하였으나 제안된 절차와 DED 공정을 활용하여 보수를 진행할 경우 열 변형으로 인한 축의 변형이나 적층부 박리와 같 은 결함은 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.

    3가지 축 부품에 대하여 접촉식 3차원 측정기를 활용하여 적층 전/후의 직진도를 측정하였고 결과 를 Fig. 9에 나타내었다. 보수 후에도 축의 변형 없 이 보수가 완료되었음을 확인할 수 있었다.

    이러한 결과를 통하여 DED 공정을 이용해서 축 보수를 수행할 경우 다양한 부품 크기, 손상타입 등에 대하여 결함 및 변형 없이 보수 가능함을 확 인할 수 있었다.

    3.2 DED 공정으로 보수된 축의 미세조직 분석

    DED 공정으로 보수된 축의 품직 확인을 위하여 시편을 추출하였고, SEM을 이용하여 모재부와 적 층부의 미세조직을 분석하였다.

    Fig. 10(a)와 같이 type A 부품의 시편 단면 형상 은 모재부(substrate), 경계부(interface), 적층부 (deposited layer)로 구분되며 적층부나 경계부에 박 리나 기공과 같은 결함이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 미세조직 분석 결과 모재부는 페라이트 (ferrite) 및 펄라이트(pearlite) 조직을 나타내었고 적 층부는 적층 공정 중 급가열 및 급냉 사이클에 의 하여 미세한 덴드라이트(dendrite) 조직이 생성됨을 확인할 수 있었다.

    Type B 부품의 미세조직 분석 결과 모재의 조직 은 등축 오스테나이트 결정립을 나타내는 것을 확 인할 수 있었다. 적층부의 경우 급냉으로 인해 결 정립계에서 석출상이 형성되지 않아 모재와 급격한 물성차이는 발생하지 않을 것으로 분석되었다. 또 한 기공 및 균열 등의 결함은 발생하지 않았고 미 세조직 분석 결과를 Fig. 10(b)에 나타내었다.

    Type C 보수 완료 후 품질 확인을 위하여 적층 부 단면 형상과 미세조직을 분석한 결과는 Fig. 10(c)와 같다. 단면 형상 분석 결과로부터 적층부와 적층 경계부에 기공, 박리 및 균열과 같은 결함이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 미세조직 분석 결과로부터 모재부가 베이나이트(bainite) 조직 으로 페라이트와 시멘타이트로 이루어져 있음을 확 인할 수 있었다. 적층부의 미세조직은 미세한 덴드 라이트(dendrite) 조직을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.

    3.3 DED 공정으로 보수된 축의 경도 특성

    DED 공정을 이용하여 보수된 축 부품의 제품 표 면 기능성 강화 특성을 고찰하기 위하여 경도특성 을 분석하였다. 모재로부터 적층 시편 표면까지의 경도 분석 결과는 Fig. 11에 나타내었다.

    Type A 축 부품의 비커스 경도 측정결과 모재부 와 적층부의 경도는 각각 207 Hv 및 378 Hv 수준 으로 적층부에서 높은 경도를 나타내었다(Fig. 11(a)). 모재부와 적층부의 경도 차이는 미세조직 분석 결과에서 고찰한 바와 같이 적층부에 미세한 덴드라이트 조직이 형성되었기 때문으로 사료된다. 이 결과들로부터 제안된 공정 및 조건으로 축 보수 를 진행할 경우 제품 표면 재생과 동시에 표면 강 화가 가능함을 확인할 수 있었다.

    Type B 부품의 적층 시편 표면으로부터 깊이 방 향으로의 경도 분석 결과는 Fig. 11(b)와 같다. 경도 측정결과 모재부는 201.8 Hv, 적층부는 233.1 Hv로 적층부의 경도가 16% 정도 높아지긴 했지만 큰 차 이는 없는 것으로 확인되었다.

    Type C 부품의 적층 단면 경도 측정결과는 Fig. 11(c)와 같다. 경도 측정 결과에서는 모재부와 적층 부의 경도가 각각 250.9 Hv 및 319.3 Hv 수준으로 적층부의 경도가 약간 높은 것을 확인할 수 있었 다. 두 영역의 경도 차이는 소재 및 미세조직 차이 에 기인한 것으로 사료 되었다.

    이 결과들을 종합하여 제안된 절차 및 방법을 활 용하여 일부 형상이 유실된 축을 보수할 경우 이종 재료 적층을 통하여 손상부 재생성이 가능하며 이 와 동시에 국부적인 기능성 강화가 가능함을 확인 할 수 있었다.

    3.4 DED 활용 축 보수 공정의 효율성 분석

    DED 공정을 활용하여 보수한 경우와 새 부품으 로 제작할 때의 비용, 제작 시간 및 소재 사용량을 비교한 결과를 Table 4와 Fig. 12에 나타내었다.

    소형 축 제품(Type A)을 보수할 경우 새 제품을 제작할 때보다 비용, 제작 시간 및 소재 사용량이 각각 17%, 58%, 20% 절약 가능하여 다소 경제적으 로 부품 보수가 가능한 것으로 확인되었다.

    DED 공정을 활용하여 중형 축 제품(Type B)을 보수할 경우 새 제품을 제작할 때보다 비용, 제작 시간 및 소재 사용량이 각각 69%, 65%, 91% 절약 가능하여 제안된 절차와 DED 공정을 활용할 경우 자원 절감 효과가 매우 우수함을 알 수 있었다.

    마지막으로 고가의 대형 축 부품(Type C)을 DED 공정을 활용하여 보수할 경우 신제품 제작비용의 약 99.9% 절약이 가능하여 매우 적은 비용으로 보 수가 가능하며 제작 시간 및 소재 사용량 또한 신 품제작 기준 각각 약 92% 및 99% 단축 및 절약할 수 있어 경제적 효과가 우수한 것을 확인할 수 있 었다. 특히 소형, 중형 및 대형 축을 함께 비교할 경우 제품 크기가 크며 제품 단가가 고가 일수록 경제적 효과가 증대되는 것을 알 수 있었다.

    4. 결론

    금속 3D 프린팅 공정 중 하나인 DED 공정을 활 용하여 축 보수 방법을 제안하고 그를 이용한 활용 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 표면이 손상된 소형 축, 베어링 결합부가 마모 된 중형 축 및 축 일부 형상이 손상된 대형 축으로 총 세 가지 타입 의 축 부품을 선정하여 DED 공정을 활용하여 보수 절차를 진행하였다.

    제안된 절차를 통하여 적절한 적층 설계를 진행 할 경우 다양한 크기, 손상타입, 소재의 축 부품들 에 대하여 보수가 가능함을 알 수 있었다. 특히, 용 접 공정으로 보수 시 축 휨, 보수영역 박리, 보수형 상 무너짐과 같은 결함이 발생할 수 있는 종횡비가 긴 제품, 보수 요구 형상이 각진 형상 제품, 대면적 형상 보수 제품들을 결함 없이 보수 할 수 있었다.

    축 보수 시 동종재료 및 이종재료를 선택적으로 적용 할 수 있으며 공정 조건 및 설계 내용에 따라 보수영역의 기능성 개선 및 유지가 가능함을 알 수 있었다. 적절한 적층 설계를 진행할 경우 이종재료 및 동종재료 적층 시 우려되는 적층 경계부 결함이 발생하지 않음을 확인 할 수 있었다.

    DED 공정으로 축 부품을 보수할 경우 제작비용, 시간, 소재사용량을 각각 최대 99.9%, 92% 및 99% 절약 및 절감할 수 있어 경제적인 효과가 매우 우 수하며 긴급보수를 요구하는 산업현장에서 사용하 기 적합함을 알 수 있었다. 경제적인 효과는 제품 의 크기와 가치가 클수록 증대되었다.

    향후 연구에서는 동종 및 이종재료로 적층 된 축 부품의 비틀림, 변형 및 피로 특성에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

    후 기

    “이 논문은 2021년도 산업통상자원부 및 산업기술 평가관리원(KEIT) 연구비(과제번호:20000147)와 한국 생산기술연구원 기관주요사업의 지원 (KITECH EO-21-0009)에 의하여 연구되었음.”

    Figure

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    DED type 3D printing system
    KSMPE-20-9-1_F2.gif
    Procedure to repair damaged shafts with a 3D printing process
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    Dimension and shape of repair shafts (a) Type A, (b) Type B, (c) Type C
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    Deposition design for repair (a) Type A, (b) Type B, (c) Type C
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    Shape and size distribution of used powders
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    Result of repair for the type A shaft
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    Result of repair for the type B shaft
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    Result of repair for the type C shaft
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    Deformation measurement result of shaft parts
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    Microstructure of repaired region for shaft parts
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    Vickers hardness distribution of deposited specimen for shaft parts
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    Comparison results of saving ratio for different shaft types

    Table

    The shape and characteristics of the three parts
    Chemical composition of powders and base material (wt%)
    Comparison result of required resource consumption between repaired parts and new parts

    Reference

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