대형 부품 제작 생산성 향상을 위한 분말 베드 융해 방식의 하이브리드 레이어 공정 개발

Abstract

최근 항공우주, 방위산업 등 다양한 분야에서 경량화를 위해 적층 제조 방식을 이용율이 증가하고 있다. 생산성을 증대하는 기술 개발이 활발히 이루어지고 있으나, 적층 두께의 증가에 따른 대형 부품의 제작이나 하이브리드 레이어 공정의 도입, 그리고 이에 따른 기계적 물성 변화에 대한 조직 분석은 상대적으로 적다. 항공우주 및 방위산업 분야에서 사용되는 부품들은 대체로 극한 환경에 노출되기 때문에, 기계적 물성은 이러한 부품들의 성능을 결정짓는 핵심적인 요소이다. 본 연구는 분말 베드 융해(Laser Powder Bed Fusion, L-PBF)를 사용한 적층 제조 기술에 하이브리드 레이어 공정을 최적화하였다. 최적화된 하이브리드 레이어 공정이 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하였으며 적층 두께 변화가 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 적층 두께가 증가함에 따라 표면 거칠기가 증가하였다. 하이브리드 레이어 공정을 적용한 시편은 표면 거칠기가 LT 30 µm인 시편과 유사한 결과를 보여주었으며, 이는 하이브리드 레이어 공정 적용시에도 표면 거칠기가 우수하다는 것을 보여준다. 비커스 경도 측정에서는 공정 방식에 관계없이 유사한 경도 값을 나타내어, 공정 방식이 경도에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났습니다. 하이브리드 레이어 공정 개발을 위해 외부(Shell)와 내부(Core)의 결합을 높이기 위한 Interlaced layer, Double scan, No overlap 공정 실험을 통해 결합 부의 결함을 최소화하는 방법을 연구하였다. 그 중 Interlaced layer 공정이 결합 부 결함이 가장 낮은 것으로 나타나, 하이브리드 레이어 공정에 선정하였다. 인장시험 결과, 적층 두께 증가에 따라 최대 연신율이 증가하는 경향을 보였으며, 하이브리드 레이어 공정은 단일 적층 공정 대비 평균 연신율이 향상되고 편차가 줄어드는 결과를 보였습니다. μ-CT 측정 결과는 이러한 경향을 뒷받침하며, 하이브리드 레이어 공정이 구조적 결함을 최소화하고 강도와 연신율을 동시에 향상시킬 수 있는 가능성을 보여준다. Heat Affected Zone(HAZ) band의 특성을 조사하여 적층 두께에 따른 HAZ band의 변화와 미세구조 특성을 분석하였다. 하이브리드 레이어 공정은 항공기 시트 프레임 제작에 적용하였을 경우, 결함 없이 제작이 가능하며 생산 시간을 효과적으로 단축할 수 있음을 보여준다. 본 연구는 하이브리드 레이어 공정이 대형 부품의 기계적 특성과 생산성을 동시에 향상시킬 수 있는 효과적인 제조 방식임을 입증하며, 대형 부품 제작가능성을 보여준다. 이를 바탕으로 하이브리드 레이어 공정이 다양한 산업 분야에서의 적용 가능성을 보여준다.