1. 금속 3D 프린팅 및 잔류 응력 제어 소개

최근 금속 3D 프린팅 기술은 급속도로 발전하여 항공우주, 자동차 제조, 의료기기 등 중요 산업 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 경량 부품 설계와 맞춤형 생산이 가능하다는 점이 기존 제조 방식의 한계를 극복하는 핵심적인 장점입니다. 그러나 3D 프린팅 공정에서 잔류 응력, 부품 위치, 지지 구조 설계, 부품 최적화 등 여러 가지 주요 문제가 최종 부품 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 본 논문에서는 금속 3D 프린팅에서 잔류 응력이 발생하는 메커니즘과 이에 대한 제어 전략을 살펴봅니다.

2. 잔류 응력 발생 메커니즘

잔류 응력은 금속 3D 프린팅, 특히 레이저 분말 베드 융합(LPBF)과 같은 공정에서 발생하는 급속한 가열 및 냉각 과정의 필연적인 부산물입니다. 각 재료 층은 다음과 같은 방식으로 생성됩니다. 집중된 레이저가 분말 베드 위를 이동하면서 표면층을 녹이고 아래쪽 층과 야금학적 결합을 형성합니다. 용융된 금속 풀의 열이 아래쪽의 고체 금속으로 빠르게 전달되어 용융 금속이 수 마이크로초 만에 냉각되고 응고됩니다.

이 과정에서 새로 형성된 금속층은 냉각 및 응고되면서 수축합니다. 그러나 이러한 수축은 아래쪽의 고체 구조에 의해 제한되어 층 사이에 상당한 전단 응력이 발생합니다. 구체적으로, 레이저가 고체 기판 위의 금속을 녹일 때, 지속적인 용융과 열전도 때문에 냉각되는 금속이 수축하고, 이로 인해 새로운 금속층과 아래쪽 층 사이에 전단 응력이 발생합니다.

3. 잔류 응력의 결과

잔류 응력은 출력물의 품질에 심각한 악영향을 미칠 수 있습니다. 레이어 수가 증가함에 따라 응력이 축적되어 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 부품 변형누적된 응력은 부품 가장자리의 변형을 유발할 수 있으며, 이는 지지 구조의 파손으로 이어질 수 있습니다.
• 베이스플레이트 분리부품이 베이스 플레이트와 접촉하는 면적이 넓을 경우, 부품 가장자리가 베이스에서 분리될 수 있습니다.
• 구조적 균열응력이 재료의 강도 한계를 초과하면 부품이나 베이스 플레이트에 심각한 균열이나 변형이 발생할 수 있습니다.

이러한 문제는 특히 단면적이 큰 부품에서 두드러지게 나타나는데, 접촉면이 커질수록 전단 응력이 작용하는 거리가 늘어나 부품이나 베이스 플레이트의 변형이 심화되기 때문입니다.

4. 잔류 응력 제어 전략

1. 설계에서의 구조적 최적화

제품 설계 단계에서 잔류 응력을 고려하여 응력 축적을 최소화해야 합니다. 설계 최적화에는 다음이 포함됩니다.

• 합리적 지원 구조의 활용: 하중을 분산시키기 위해 지지 구조물을 전략적으로 배치해야 합니다.
• 부품 방향 최적화: 출력 중 응력 집중을 줄이기 위해 부품 방향을 조정하십시오.
• 단면의 급격한 변화 방지응력 집중을 방지하기 위해 단면적이 점진적으로 변하는 부품을 설계하십시오.

2. 프로세스 매개변수 최적화

• 기판 두께 선택기초 재료의 적절한 두께를 선택하면 응력 축적을 줄일 수 있습니다.
• 기판 예열기판을 예열하는 방법(예: 예열 온도 설정) 80 ° C 316L 스테인리스강을 출력할 때 열 구배와 응력을 줄일 수 있습니다.
• 층 두께 및 레이저 매개변수의 정밀 제어이러한 매개변수를 세심하게 제어하면 용융 및 응고가 고르게 이루어져 잔류 응력이 감소합니다.

3. 향상된 스캔 전략

레이저 소결 중 잔류 응력을 줄이기 위해 레이저 스캔 경로와 금속 분말 충전 방식을 최적화하면 응력을 더욱 고르게 분산시킬 수 있습니다. 이러한 전략에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

• 구역별 스캔 전략 활용작업 영역을 여러 구역으로 나누어 온도 구배를 최소화하십시오.
• 회전 스캐닝 모드 구현국부적인 가열 및 냉각 효과를 줄이려면 스캔 패턴을 회전시키십시오.
• 스캔 벡터 길이 및 방향 최적화스캔 경로의 길이와 방향을 조정하여 부품 전체에 열이 더욱 고르게 분산되도록 하십시오.

5. 그린스톤테크의 잔류응력 제어 솔루션

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