금속 레이저 적층 제조에 빔 형상화 기술 적용

레이저 적층 제조(AM) 기술은 높은 제조 정밀도, 뛰어난 유연성, 높은 자동화 수준 등의 장점을 바탕으로 자동차, 의료, 항공우주 등 다양한 분야의 핵심 부품(예: 로켓 연료 노즐, 위성 안테나 브래킷, 인체 임플란트 등) 제조에 널리 활용되고 있습니다. 이 기술은 재료 구조와 성능의 통합 제조를 통해 출력 부품의 결합 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 현재 레이저 적층 제조 기술은 일반적으로 중심부 에너지가 높고 가장자리 에너지가 낮은 집속 가우시안 빔을 사용합니다. 그러나 이러한 방식은 용융 재료 내부에 높은 열 구배를 발생시켜 기공 및 조대 결정립 형성을 초래하는 경우가 많습니다. 빔 형상화 기술은 레이저 빔 에너지 분포를 조절하여 인쇄 효율과 품질을 향상시키는 새로운 해결책입니다.

기존의 절삭 가공 및 등가 가공 방식과 비교했을 때, 금속 적층 제조 기술은 제조 주기 단축, 높은 가공 정밀도, 높은 재료 이용률, 우수한 부품 성능 등의 장점을 가지고 있습니다. 이러한 장점 덕분에 금속 적층 제조 기술은 항공우주, 무기 및 장비, 원자력, 바이오 의약품, 자동차 등 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 금속 적층 제조는 이산 적층 원리를 기반으로 레이저, 아크, 전자빔 등의 에너지원을 이용하여 분말이나 와이어를 녹인 후, 이를 층층이 쌓아 올려 원하는 부품을 제작합니다. 이 기술은 소량 생산, 복잡한 구조, 맞춤형 부품 제작에 특히 유리하며, 기존 방식으로는 가공이 어렵거나 불가능한 재료도 적층 제조 방식을 통해 가공할 수 있습니다. 이러한 장점들로 인해 적층 제조 기술은 국내외 학계의 큰 관심을 받고 있으며, 지난 수십 년간 급속한 발전을 이루어 왔습니다. 레이저 적층 제조 장비의 자동화 및 유연성, 높은 레이저 에너지 밀도 및 높은 가공 정확도라는 종합적인 장점 덕분에 레이저 적층 제조 기술은 앞서 언급한 세 가지 금속 적층 제조 기술 중 가장 빠르게 발전해 왔습니다.

레이저 금속 적층 제조 기술은 LPBF(레이저 적층 제조)와 DED(다이얼 레이저 적층 제조)로 나눌 수 있습니다. 그림 1은 LPBF와 DED 공정의 대표적인 개략도를 보여줍니다. 선택적 레이저 용융(SLM)이라고도 하는 LPBF 공정은 고에너지 레이저 빔을 분말층 표면의 고정된 경로를 따라 스캔하여 복잡한 금속 부품을 제조할 수 있습니다. 그러면 분말이 녹고 굳어지면서 층층이 적층됩니다. DED 공정은 크게 레이저 용융 적층과 레이저 와이어 공급 적층 제조의 두 가지 인쇄 공정으로 나뉩니다. 이 두 기술 모두 금속 분말이나 와이어를 동시에 공급하여 금속 부품을 직접 제조하고 수리할 수 있습니다. LPBF에 비해 DED는 생산성이 높고 제조 면적이 넓습니다. 또한, 이 방법은 복합 재료 및 기능성 경사 재료를 편리하게 제조할 수 있습니다. 그러나 DED로 인쇄된 부품의 표면 품질은 항상 좋지 않으며, 목표 부품의 치수 정확도를 향상시키기 위해 후속 가공이 필요합니다.

현재 레이저 적층 제조 공정에서는 일반적으로 집속된 가우시안 빔이 에너지원으로 사용됩니다. 그러나 가우시안 빔은 중심부 에너지가 높고 가장자리 에너지가 낮은 독특한 에너지 분포 특성으로 인해 높은 열 구배와 용융 풀의 불안정성을 유발하여 출력물의 성형 품질 저하를 초래할 수 있습니다. 또한, 용융 풀의 중심 온도가 지나치게 높으면 저융점 금속 원소가 기화되어 레이저 적층 제조(LBPF) 공정의 불안정성을 더욱 악화시킵니다. 결과적으로 기공률이 증가하여 출력물의 기계적 특성과 피로 수명이 크게 저하됩니다. 가우시안 빔의 불균일한 에너지 분포는 레이저 에너지 이용 효율 저하와 과도한 에너지 낭비로 이어지기도 합니다. 이러한 문제점을 개선하여 출력 품질을 향상시키기 위해 연구자들은 레이저 출력, 스캐닝 속도, 분말층 두께, 스캐닝 전략 등의 공정 변수를 조절하여 에너지 투입량을 제어함으로써 가우시안 빔의 단점을 보완하는 연구를 진행하고 있습니다. 하지만 이 방법은 처리 범위가 매우 좁고 물리적 한계로 인해 추가적인 최적화에 제약이 있습니다. 예를 들어, 레이저 출력과 스캐닝 속도를 높이면 제조 효율을 높일 수 있지만, 인쇄 품질이 저하되는 경우가 많습니다. 최근에는 빔 형상화 전략을 통해 레이저 에너지 분포를 변경함으로써 제조 효율과 인쇄 품질을 크게 향상시킬 수 있다는 연구 결과가 나오고 있으며, 이는 레이저 적층 제조 기술의 미래 발전 방향이 될 가능성이 높습니다. 빔 형상화 기술은 일반적으로 입력 빔의 파면 분포를 조정하여 원하는 강도 분포와 전파 특성을 얻는 것을 의미합니다. 금속 적층 제조 기술에 빔 형상화 기술을 적용한 사례는 그림 2에 나타나 있습니다.

레이저 적층 제조에 빔 형상화 기술 적용

기존 가우스 빔 프린팅의 단점

금속 레이저 적층 제조 기술에서 레이저 빔의 에너지 분포는 출력물의 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 가우시안 빔은 금속 레이저 적층 제조 장비에 널리 사용되어 왔지만, 불안정한 출력 품질, 낮은 에너지 효율, 적층 제조 공정의 좁은 공정 범위와 같은 심각한 단점을 가지고 있습니다. 특히, 금속 레이저 적층 공정 중 분말의 용융 과정과 용융 풀의 동역학은 분말층의 두께와 밀접한 관련이 있습니다. 분말 비산 및 침식 영역의 존재로 인해 실제 분말층 두께는 이론적 예측보다 두꺼워집니다. 또한, 증기 기둥은 주요 후방 제트 비산을 유발합니다. 금속 증기가 후면 벽과 충돌하여 비산을 형성하고, 이 비산은 용융 풀의 오목한 영역에 수직으로 전면 벽을 따라 분사됩니다(그림 3 참조). 레이저 빔과 비산 사이의 복잡한 상호 작용으로 인해 분출된 비산은 후속 분말층의 출력 품질에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 또한, 용융 풀에 키홀이 형성되는 것도 출력물의 품질에 심각한 영향을 미칩니다. 출력물의 내부 기공은 주로 불안정한 잠금 구멍으로 인해 발생합니다.

빔 형상 가공 기술에서 결함 발생 메커니즘

빔 형상화 기술은 한 차원의 성능 향상을 위해 다른 차원을 희생하는 가우시안 빔과는 달리, 여러 차원에서 동시에 성능 향상을 이룰 수 있습니다. 빔 형상화 기술은 용융 풀의 온도 분포와 유동 특성을 정밀하게 조절할 수 있습니다. 레이저 에너지 분포를 제어함으로써 온도 구배가 작은 비교적 안정적인 용융 풀을 얻을 수 있습니다. 적절한 레이저 에너지 분포는 기공 및 스퍼터링 결함을 억제하고 금속 부품의 레이저 프린팅 품질을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 이를 통해 생산 효율과 분말 활용도를 다양하게 개선할 수 있습니다. 동시에 빔 형상화 기술은 더 많은 가공 전략을 제공하여 공정 설계의 자유도를 크게 높여주므로 레이저 적층 제조 기술에 혁명적인 발전을 가져왔습니다.