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1. 금속 적층 제조 기술 대형화·고속화
AM(Additive Manufacturing) 공정 중 하나인 LPBF(Laser Powder Bed Fusion)는 기존의 제조 방법보다 뛰어난 설계 자유도를 제공할 뿐만 아니라 향상된 재료 활용도를 가지고 있다.
LPBF 공정 중 가장 유망한 응용 분야는 DfAM(Design for Additive Manufacturing)을 이용한 Topology optimization 및 Lattice 구조를 통한 재료절감 및 경량화이다. 이러한 구조물로는 Organic structures, Periodic cellular structures, Biomedical implants 등이 있다.
하지만 LPBF 공정은 CO2 레이저를 이용하여 Metal powder를 소결하기 위해 3차원 모델로부터 일정한 높이의 Layer 단위로 2차원 슬라이싱(Slicing) 단면을 획득하고, 단면 정보로부터 X, Y 축에 대한 윤곽선(Contour line)과 교차점을 구해 레이저 주사 경로를 생성하게 된다.
이때 우수한 표면조도 달성을 위하여 한 Layer 적층 완료 후 외각 형상을 따라 한 번 더 Contour scan을 하게 되는데 이럴 경우 한 번만 Laser scan이 이루어진 Core part와는 완전히 다른 미세 구조와 경도를 나타내게 된다.
하지만 이러한 Contour scan의 열 이력이 제품의 기계적 특성에 미치는 영향에 대하여서는 현재 연구된 사례가 많지 않다. 기존 연구 사례로는 Cellular structure에 관한 경량화, 즉 Topology optimization 및 설계 유연성에 관한 연구에 중점을 두었으며, Imade Koutiri et al.에서 LPBF 공정에서 Contour scan의 영향에 따른 표면 거칠기와 다공도의 영향에 대한 연구만 진행된 실정이며 LPBF의 Contour scanned area의 미세 구조에 의한 전체 구조물의 기계적 특성에 대해서는 크게 간과되었다.
이렇듯 현재까지 연구에서는 LPBF 공정 시 Lattice structure의 유한요소 모델링 또는 표면 조도, 기계적 거동과 같은 거시적인 초점을 맞추고 Contour scan이 미세 조직에 미치는 영향에 대하여서는 연구가 잘 이루어지지 않고 있다. 그리하여 LPBF 공정 시 Thin beam 또는 Cylinder 구조와 같이 얇은 구조물에서 Contour scanning 효과가 기계적 특성에 어떠한 영향을 주는지에 대한 연구를 진행하였다.
그림1. Diagram showing the LPBF process (Source: EOS)
2. LPBF vs. Traditional Manufacturing
모든 제조 기술과 마찬가지로 LPBF에도 장점과 단점이 있다. LPBF 공정을 통해 원하는 제품을 제작하는 경우의 장단점은 다음과 같다.
[장점]
- 다양한 금속 소재 사용이 가능하다.
- 복잡한 모양이나 내부 구조를 제작할 수 있다.
- Lattice structure 또는 Topology optimization을 통한 경량화가 가능하다.
- 부품 통합으로 기존에 여러 부품으로 구성된 제품을 하나의 단품으로 제작할 수 있다.
- 금속 분말을 재활용함으로 폐기물을 감소 시킬 수 있다.
- 빠른 주문형 생산 및 부품의 대량 맞춤화가 가능하다.
[단점]
- 아직까지 금속 3D Metal printing의 가격은 상당히 고가이다.
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