1. 금속 3D 프린팅 및 잔류 응력 제어 소개

금속 3D 프린팅 기술은 최근 몇 년 동안 급속도로 발전하여 현재 항공우주, 자동차 제조, 의료 기기 등 핵심 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 3D 프린팅의 핵심 장점은 경량 부품 설계와 맞춤형 생산으로 기존 제조 방법의 한계를 극복할 수 있다는 점입니다. 그러나 3D 프린팅 공정의 몇 가지 주요 문제, 특히 잔류 응력, 부품 위치, 지지 구조 설계 및 부품 최적화는 최종 부품 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 문서에서는 금속 3D 프린팅에서 잔류 응력이 발생하는 메커니즘과 그에 따른 제어 전략에 대해 살펴봅니다.

2. 잔류 스트레스 발생 메커니즘

잔류 응력은 금속 3D 프린팅, 특히 레이저 파우더 베드 융합(LPBF)과 같은 공정에서 발생하는 빠른 가열 및 냉각으로 인해 불가피하게 발생하는 부산물입니다. 집중된 레이저가 파우더 베드 위로 이동하여 표면층을 녹이고 기본 층과 금속 결합을 생성하는 방식으로 재료의 새로운 층이 만들어집니다. 용융 풀의 열이 아래의 고체 금속으로 빠르게 전도되어 용융 금속이 수 마이크로초 만에 냉각되고 응고됩니다.

이 과정에서 새로 형성된 금속 층은 냉각되고 굳어지면서 수축을 겪습니다. 그러나 이 수축은 그 아래의 고체 구조에 의해 제약을 받아 층 사이에 상당한 전단 응력이 발생합니다. 특히 레이저가 고체 기판 위에 있는 금속을 녹이면 지속적인 용융과 열전도로 인해 냉각된 금속이 수축하여 새로운 금속 층과 밑에 있는 층 사이에 전단 응력이 발생합니다.

3. 잔류 스트레스의 결과

잔류 응력은 인쇄된 부품의 품질에 파괴적인 영향을 미칠 수 있습니다. 레이어 수가 증가함에 따라 응력이 누적되어 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

• 부품 변형: 응력이 누적되면 부품의 가장자리에 뒤틀림이 발생하여 지지 구조가 고장날 수 있습니다.
• 베이스 플레이트 분리: 부품이 베이스 플레이트와 접촉하는 면적이 넓은 경우 부품 모서리가 베이스에서 분리될 수 있습니다.
• 구조적 균열: 응력이 재료의 강도 한계를 초과하면 부품 또는 베이스 플레이트에 치명적인 균열이나 뒤틀림이 발생할 수 있습니다.

이러한 문제는 단면이 큰 부품에서 특히 두드러지는데, 인터페이스가 클수록 전단 응력이 작용하는 거리가 증가하여 부품 또는 베이스 플레이트의 변형이 심해지기 때문입니다.

4. 잔여 스트레스 관리 전략

1. 설계의 구조 최적화

응력 축적을 최소화하려면 제품 설계 단계에서 잔류 응력을 고려해야 합니다. 설계 최적화에는 다음이 포함됩니다:

• 합리적인 지원 구조 사용: 스트레스의 균형을 맞추기 위해 지지 구조물을 전략적으로 배치해야 합니다.
• 부품 방향 최적화: 파트 방향을 조정하여 인쇄 중 응력 집중을 줄입니다.
• 갑작스러운 단면 변경 방지: 응력 집중을 방지하기 위해 단면이 점진적으로 변화하는 부품을 설계합니다.

2. 프로세스 매개변수 최적화

• 인쇄물 두께 선택: 적절한 두께의 기본 소재를 선택하면 응력 축적을 줄일 수 있습니다.
• 기판 예열: 예열 온도를 사용하는 등 기판을 예열합니다. 80°C 316L 스테인리스 스틸을 인쇄할 때 열 구배와 스트레스를 줄일 수 있습니다.
• 레이어 두께 및 레이저 파라미터의 정밀한 제어: 이러한 매개변수를 세심하게 제어하면 고르게 녹고 응고되어 잔류 응력을 줄일 수 있습니다.

3. 향상된 스캔 전략

레이저 소결 중 잔류 응력을 줄이려면 레이저 스캔 경로와 금속 분말이 채워지는 방식을 최적화하면 응력을 더 고르게 분산하는 데 도움이 됩니다. 전략에는 다음이 포함됩니다:

• 구역별 스캔 전략 사용: 작업 영역을 섹션으로 나누어 열 경사도를 최소화합니다.
• 회전 스캔 모드 구현: 스캔 패턴을 회전하여 국부적인 가열 및 냉각 효과를 줄입니다.
• 스캔 벡터 길이 및 방향 최적화: 스캔 경로 길이와 방향을 조정하여 부품 전체에 열을 더 고르게 분산시킵니다.

5. 그린스톤테크의 잔류 스트레스 제어 솔루션

체계적인 공정 연구와 파라미터 최적화를 통해 그린스톤테크는 종합적인 잔류 응력 제어 솔루션을 개발했습니다. 이 솔루션은 금속 3D 프린팅 부품의 치수 안정성과 전반적인 품질을 향상시켜 고객에게 더욱 안정적인 적층 제조 솔루션을 제공합니다.