금속 레이저 적층 제조에 빔 성형 기술 적용

레이저 적층 가공(AM) 기술은 높은 제조 정확도, 강력한 유연성, 고도의 자동화라는 장점을 바탕으로 자동차, 의료, 항공우주 등 분야의 핵심 부품(예: 로켓 등) 제조에 널리 사용됩니다. 연료 노즐, 위성 안테나 브래킷, 인간 임플란트 등). 이 기술은 소재 구조와 성능의 통합 제조를 통해 프린팅 부품의 결합 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 현재 레이저 적층 제조 기술은 일반적으로 중심이 높고 가장자리 에너지 분포가 낮은 집중형 가우스 빔을 채택합니다. 그러나 이는 종종 용융물에서 높은 열 구배를 생성하여 기공과 거친 입자가 형성되는 결과를 낳습니다. 빔 쉐이핑(Beam shaping) 기술은 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 방법으로, 레이저 빔 에너지의 분포를 조정하여 인쇄 효율성과 품질을 향상시키는 기술입니다.

전통적인 감산 및 등가 제조와 비교하여 금속 적층 제조 기술은 짧은 제조 사이클 시간, 높은 처리 정확도, 높은 재료 활용률 및 부품의 전반적인 성능이 우수한 등의 장점을 가지고 있습니다. 따라서 금속 적층 제조 기술은 항공우주, 무기 및 장비, 원자력, 바이오의약품, 자동차 등의 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 금속 적층 제조는 이산적 적층 원리를 바탕으로 에너지원(예: 레이저, 아크, 전자빔)을 활용하여 분말이나 와이어를 녹인 후 층층이 쌓아 대상 부품을 제조합니다. 이 기술은 소규모 배치, 복잡한 구조 또는 맞춤형 부품을 생산하는 데 상당한 이점을 제공합니다. 전통적인 기술을 사용하여 가공할 수 없거나 어려운 재료는 적층 제조 방법을 사용하여 준비하는 데에도 적합합니다. 이러한 장점으로 인해 적층 가공 기술은 국내외 학자들로부터 폭넓은 주목을 받고 있습니다. 지난 수십 년 동안 적층 제조 기술은 급속한 발전을 이루었습니다. 레이저 적층 제조 장비의 자동화 및 유연성과 높은 레이저 에너지 밀도 및 높은 가공 정확도라는 포괄적인 이점으로 인해 레이저 적층 제조 기술은 위에서 언급한 세 가지 금속 적층 제조 기술 중에서 가장 빠르게 발전했습니다.

레이저 금속 적층 제조 기술은 다시 LPBF와 DED로 나눌 수 있습니다. 그림 1은 LPBF 및 DED 공정의 일반적인 개략도를 보여줍니다. SLM(선택적 레이저 용융)이라고도 알려진 LPBF 공정은 분말 베드 표면의 고정 경로를 따라 고에너지 레이저 빔을 스캔하여 복잡한 금속 부품을 제조할 수 있습니다. 그러면 가루가 한 겹씩 녹고 굳어집니다. DED 공정에는 주로 레이저 용융 증착과 레이저 와이어 공급 적층 제조의 두 가지 인쇄 공정이 포함됩니다. 두 기술 모두 금속 분말이나 와이어를 동기식으로 공급해 금속 부품을 직접 제작하고 수리할 수 있다. LPBF에 비해 DED는 생산성이 높고 제조 면적도 넓습니다. 또한, 이 방법은 복합재료나 기능성 등급재료도 편리하게 제조할 수 있다. 그러나 DED로 인쇄한 부품의 표면 품질은 항상 좋지 않으며 대상 부품의 치수 정확도를 향상하려면 후속 처리가 필요합니다.

현재 레이저 적층 제조 공정에서는 집속된 가우스 빔이 일반적으로 에너지원입니다. 그러나 고유한 에너지 분포(높은 중심, 낮은 가장자리)로 인해 높은 열 구배와 용융 풀의 불안정성을 유발할 가능성이 있습니다. 인쇄된 부품의 성형 품질이 저하됩니다. 또한, 용융 풀의 중심 온도가 너무 높으면 저융점 금속 요소가 기화되어 LBPF 공정의 불안정성을 더욱 악화시킵니다. 따라서 다공성이 증가하면 인쇄된 부품의 기계적 특성과 피로 수명이 크게 감소합니다. 가우시안 빔의 고르지 않은 에너지 분포는 또한 레이저 에너지 활용 효율성을 낮추고 과도한 에너지 낭비를 초래합니다. 더 나은 인쇄 품질을 달성하기 위해 학자들은 에너지 입력 가능성을 제어하기 위해 레이저 출력, 스캐닝 속도, 분말 층 두께 및 스캐닝 전략과 같은 공정 매개변수를 수정하여 가우시안 빔의 결함을 보상하는 방법을 모색하기 시작했습니다. 이 방법의 처리 창이 매우 좁기 때문에 고정된 물리적 제한으로 인해 추가 최적화 가능성이 제한됩니다. 예를 들어, 레이저 출력과 스캐닝 속도를 높이면 높은 제조 효율성을 얻을 수 있지만 종종 인쇄 품질이 저하되는 대가를 치르게 됩니다. 최근에는 빔 성형 전략을 통해 레이저 에너지 분포를 변경하면 제조 효율성과 인쇄 품질을 크게 향상시킬 수 있으며, 이는 레이저 적층 제조 기술의 향후 개발 방향이 될 수 있습니다. 빔 성형 기술은 일반적으로 원하는 강도 분포와 전파 특성을 얻기 위해 입력 빔의 파면 분포를 조정하는 것을 의미합니다. 금속 적층 제조 기술에 빔 성형 기술을 적용한 모습은 그림 2에 나와 있습니다.

레이저 적층 제조에 빔 성형 기술 적용

전통적인 가우시안 빔 프린팅의 단점

금속 레이저 적층 제조 기술에서 레이저 빔의 에너지 분포는 인쇄된 부품의 품질에 큰 영향을 미칩니다. 가우시안 빔은 금속 레이저 적층 제조 장비에 널리 사용되어 왔지만 적층 제조 공정에서 불안정한 인쇄 품질, 낮은 에너지 활용도, 좁은 공정 창 등 심각한 단점을 안고 있습니다. 그 중 금속 레이저 적층 공정 중 분말의 용융 과정과 용융 풀의 역학은 분말 층의 두께와 밀접한 관련이 있습니다. 분말이 튀는 현상과 침식 영역으로 인해 분말 층의 실제 두께는 이론적인 예상보다 높습니다. 둘째, 증기 기둥으로 인해 주 후방 제트 분사가 발생했습니다. 금속 증기는 후면 벽과 충돌하여 물보라를 형성하며, 이는 용융 풀의 오목한 영역에 수직인 전면 벽을 따라 분사됩니다(그림 3 참조). 레이저 빔과 스플래시 사이의 복잡한 상호 작용으로 인해 방출된 스플래시는 후속 파우더 레이어의 인쇄 품질에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 용융 풀에 키홀이 형성되면 인쇄된 부품의 품질에도 심각한 영향을 미칩니다. 인쇄된 조각의 내부 기공은 주로 불안정한 잠금 구멍으로 인해 발생합니다.

빔 성형 기술의 결함 형성 메커니즘

빔 성형 기술은 동시에 여러 차원에서 성능 향상을 달성할 수 있는데, 이는 다른 차원을 희생하면서 한 차원에서 성능을 향상시키는 가우스 빔과 다릅니다. 빔 성형 기술은 용융 풀의 온도 분포와 흐름 특성을 정확하게 조정할 수 있습니다. 레이저 에너지의 분포를 제어함으로써 온도 구배가 작은 비교적 안정적인 용융 풀을 얻을 수 있습니다. 적절한 레이저 에너지 분포는 다공성 및 스퍼터링 결함을 억제하고 금속 부품의 레이저 인쇄 품질을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 생산 효율성과 분말 활용도를 다양하게 향상시킬 수 있습니다. 동시에 빔 성형 기술은 더 많은 가공 전략을 제공하여 공정 설계의 자유를 크게 해방시켜 레이저 적층 제조 기술의 혁명적인 발전을 이루었습니다.