2.1 적층 공정 최적 파라메타 조건 도출

적층 공정의 파라메타 선정을 위해 Veltz 3D M160 장비를 활용하였으며, 사용된 금속 소재는 STS630 분말을 사용하였다. laser power는 150~190 [Watt], scan speed는 550~950 [mm/s]의 window test 진행하고 적층 파라메타 조건 및 상대밀도를 그림 1에 나타내었다. 여기에서 출력물의 상대밀도(면밀도)는 내부의 치밀한 정도를 알 수 있는 중요한 물성임으로 상대밀도가 99.98%(목표치:99.80%) 영역에서 출력 속도가 빠르고 에너지 소모가 낮은 공정 조건 laser power는 170[W], scan speed는 750 [mm/s]을 도출하였다.

Fig. 1 Process parameter conditions and relative density

2.2 수치해석 모델

적층 제조공정의 열응력 및 열변형 최소화를 위해서는 우선 온도분포 해석이 수행되어야 하며, 본 연구에서는 열 유동 해석 방법 중 유사한 열 이력을 가지는 연속적인 layer를 하나의 layer로 통합하여 해석에 반영하고 동시에 가열하고 냉각되는 방식의 매크로 해석(layer heat input source)을 수행하였다.

그림 2에서는 20×20×20[mm] 모델의 실제 적층 시편과 온도분포해석 결과를 보여준다. 여기서 적층 공정 분석용 상용 소프트웨어인 vAMpire/MacroⓇ의 경우에는 복셀 메쉬 생성 시 오토메쉬(automesh)가 활용되며, 복잡한 형상이나 구조에 대해 3D 공간을 정육면체로 효율적으로 분할 하여 자동 메쉬를 생성한다. 복셀 메쉬 크기의 grid dependency 검토를 위해 1mm에서 순차적으로 크기를 줄여 0.4mm 이하일 때 온도가 수렴하는 것을 확인하였으며, 본 연구에서는 복셀 메쉬 크기를 0.4mm로 적용하여 해석을 수행하였다.

Fig. 2 Completed build and result of numerical thermal analysis

표 1에서는 PBF 적층 제조공정 시 사용된 공정 파라메타를 보여준다. laser power는 170[W], Scan speed는 750[mm/s], Hatch distance는 110[$\mu m$], 적층 두께는 40[$\mu m$]으로 실험을 진행하였다. 기초실험 시 사용된 금속 소재는 STS630 소재의 분말을 사용하였으며, 표 2에서 화학적 조성비를 나타내었다.

표 3에서는 상용프로그램인 vAMpire/MacroⓇ 열 해석 시 적용된 공정 파라메타를 보여준다. 여기에서 해석 시 공정 파라메타는 해석 프로그램에서 금속 소재 선정 시 지원하는 데이터값으로 Beam efficiency 50%, Emissivity for radiation 0.5, Convective heat transfer coefficient 7.5[W/m^2·K], Deposition temperature of layer 1427[°C]로 선정하였으며, 위 4가지 공정 파라메타는 열전달 해석 시 지배방정식에 영향을 미치고, layer thickness, Dwell time의 경우 실험 조건과 동일한 값으로 선정하여 해석을 수행하였다.

수치해석모델의 신뢰성을 위하여 그림 3에서 온도분포해석 데이터와 실험 데이터의 비교를 나타내었으며, 실험 데이터는 온도분포 영역에서 레이저 조사부터 리코딩 이전까지의 layer 별 가열-냉각 온도 누적 이력을 적층 시 높이에 따른 실시간 열 누적 이력에 대한 온도 값 측정하였으며, 온도분포해석 데이터는 층별 평균 열 누적 온도 이력의 수치해석 결과값을 나타내었다. 상관관계 분석을 위하여 적층 IR 카메라로 측정한 온도 이력 데이터값과 vAMpire/MacroⓇ의 해석 결과 온도 이력 데이터값들을 피어슨 상관 계수(Pearson Correlation Coefficient. PCC) 분석 수행하였다. 여기에서 피어슨 상관계수란 두 변수 간의 선형 상관 관계를 계량한 수치이며, 상관계수의 값은 +1에서 –1의 값을 가지고, +1은 완벽한 양의 선형 상관관계, 0은 선형 상관 관계없음, –1은 완벽한 음의 선형 상관 관계를 의미한다. 분석한 두 데이터 간의 상관계수는 0.985로 거의 완벽한 선형 상관관계를 가지며, 층별 평균 누적 온도차는 0.8°C로 매우 유사한 온도 이력을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 여기서 기초실험을 통해 온도분포해석 결과값이 실 적층 시 열 누적에 따른 온도 이력을 잘 대변할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 3 Comparison of temperature distribution analysis data and experimental data

2.3 아트 수전 모델의 온도분포 해석

3D 모델 분석을 통해 공정 시 단면적 변화에 따른 최대온도에 도달하는 위치값을 예측하고, 3D 모델 온도분포 해석을 통해 층별 온도 이력을 분석하고자 한다.

그림 4(a)에서는 아트수전의 모델을 보여준다. 적용 모델은 온도분포 해석을 통한 불균일한 단면적 변화에 따른 열누적 경향을 분석하기 위하여 적층 하부의 단면적과 적층상부의 단면적 크기가 서로 다르며 설계 자유도가 우수하고 예술적인 형태가 포함된 아트 수전을 선정하였으며, 내부 유로의 형상은 적층 오리엔테이션을 기준으로 내부 support가 생성되지 않는 물방울 형상을 적용하여 설계하였다.

Fig. 4 Analysis result of faucet model

그림 4(b)에서는 적용 모델의 온도분포 해석 결과를 나타낸다. 또한 그림 4(c)에서는 z축 방향으로 76mm 이후 구간부터 단면적 변화에 따른 높이 구간에서 1114.2°C 이상의 열 누적으로 인한 적층결함을 예측할 수 있다. 이때 z축 기준 76.4mm 높이 구간의 층별 최대 누적 온도는 1114.2°C, 최소 누적 온도는 834.7°C를 나타내었다.

2.3.1 general support 모델의 수치해석

그림 5(a)에서는 general support 모델의 형상을 보여준다. 여기에서 general support(block support)는 오버행을 기준으로 3D 모델의 형상을 지지하는 support의 한 종류로 그림 5(b)에서는 general support 모델의 온도분포해석 결과를 나타내었다.

general support의 경우 그림 5(c)에서와 같이 z축 방향으로 84mm 이후부터 최대온도 873.1°C 이상의 열 누적이 지속됨을 알 수 있다. 이때 z축 기준 84.0mm 높이 구간의 층별 최대 누적 온도는 873.1°C, 최소 누적 온도는 543.2°C를 나타내었다.

Fig. 5 Analysis result of general support model

2.3.2 wall support 모델의 수치해석

그림 6(a)에서는 wall support 모델의 형상을 보여준다. wall support는 지정한 면(1면)을 기준으로 3D 모델 형상의 측면을 지지하는 support의 한 종류로 그림 6(b)에서는 wall support 모델의 온도분포해석 결과를 나타내었다. 여기에서 3D 모델 형상의 열 누적을 wall support 모델의 적용으로 열전달 경로가 확보됨에 따라 위치별 누적 온도의 방열 효과를 확인할 수 있다.

wall support의 경우 z축 방향으로 84mm 이후부터 최대온도 817.3°C로 general support 기준 최대온도 55.8°C 낮아짐을 확인하였으나, z축 기준 100.8mm 이후부터 840°C 이상의 열 누적이 지속됨을 확인할 수 있다. 여기에서 그림 6(c)와 같이 z축 기준 100.8mm 높이 구간의 층별 최대 누적 온도는 840.0°C, 최소 누적 온도는 543.8°C를 보여준다. 이는 열 배출 단면적이 작아질수록 적층 상부 열 누적량이 증가하였음을 알 수 있다.

Fig. 6 Analysis result of wall support model

2.3.3 개선된 wall support 모델의 수치해석

그림 7(a)에서는 개선된 wall support 모델의 형상을 보여준다. 3차원 형상의 단면적 변화에 따른 열 누적 최소화를 위하여 wall support의 위치와 지정한 면(3면)을 확장하여 적용한 개선된 wall support 모델의 온도분포해석 결과를 그림 7(b)에 나타내었다.

Fig. 7 Analysis result of modified wall support model

그림 7(c)에서 z축 기준으로 100.8mm의 높이 구간의 층별 온도를 살펴보면 최대 누적 온도는 761.3°C, 최소 누적 온도는 591.2°C로 나타났다.

개선된 wall support의 경우에는 z축 방향으로 84mm 이후부터 최대온도 744.7°C로 general support 기준 최대온도 128.4°C(14.7%) 낮아짐을 확인하였으며, z축 방향으로 100.8mm 이후부터 761.3°C로 wall support 기준 최대온도가 78.7°C(17.3%) 낮아짐을 표 4 확인할 수 있으며, 그림 8에서는 support 모델에 따른 위치별 온도 이력들을 나타내었다.

Fig. 8 Comparison of the temperature distribution analysis results

Table 4 Comparison the effect of support at heights of 84.0mm and 100.8mm

Support type	General support	Wall support	Modified wall support	Height
T max	873.1°C	817.3°C	744.7°C	84.0mm
	920.0°C	840.0°C	761.3°C	100.8mm

2.4 아트 수전 적층 제조 및 검증 평가

그림 9 PBF 적층 제조를 통해 성형된 아트 수전의 build이다. general support 모델로 적층을 수행한 결과인데, 적층 높이 약 84mm 구간에서부터 단면적 변화에 따른 열 누적으로 인한 과열 구간이 발생하였다. wall support 모델로 적층을 수행한 결과인데, 적층 높이 약 100.8mm 구간에서부터 단면적 변화에 따른 열 누적으로 인한 과열 구간이 발생을 확인할 수 있다.

Fig. 9 Results of general support model and wall support model

한편 그림 10, 그림 11은 개선된 wall support 모델로 적층을 수행한 것이며 적층 불량이 없는 우수한 품질의 build를 볼 수 있다. 앞에서 수행한 해석 결과를 볼 때 최대 적층 온도를 나타내는 높이 84mm와 100.8mm 두 경우 모두 양호한 적층 결과를 나타냈다.

Fig. 10 Modified wall support model

Fig. 11 Result of faucet model using the PBF method

전술한 매크로 열전달 해석 및 분석에서 나타낸 바와 같이 적층 전략(build strategy)단계에서 열전달 해석을 통해 support의 형상 따른 온도 이력의 제어가 가능함을 알 수 있으며, 실제 적용 사례를 통해 제시한 바와 같이 적층에 따른 층별 온도 이력을 분석하여 적층결함의 원인이 단면적 변화에 따른 overheating과 비정상 온도분포임을 추정할 수 있었다.