같은 용융풀 폭, 다른 표면: 금속 3D프린팅 연구를 읽는 법

금속 3D프린팅 장비 세 대가 비슷한 폭의 용융풀을 만들었는데 표면 거칠기는 같지 않았다.

세 In718 장비에서는 용융풀 폭만으로 특정 표면 거칠기 값을 예측할 수 없었다.

레이저가 지나가는 두 종류의 길

레이저 분말 베드 융합(PBF-LB)은 금속 분말층을 레이저로 선택적으로 녹여 부품을 만드는 공정이다.

벌크 주사는 단면의 내부를 채우고, 윤곽 주사는 표면 마감을 개선하기 위해 층의 가장자리를 따라간다.

용융풀은 레이저가 금속 분말을 가열하면서 생기는 액체 금속 영역이다.

표면 결과를 읽는 두 지표도 구분할 필요가 있다. Sa는 평균 표면 거칠기이고 Sv는 표면에서 가장 깊은 골의 깊이다.

In718의 안정된 윤곽 용융풀에서는 폭이 넓어질수록 Sa와 Sv가 낮아졌다.

장비 A의 조사 범위에서 Sa는 10 µm에서 5 µm로, Sv는 60 µm에서 30 µm로 줄었다.

그러나 세 대의 In718 장비를 비교하면 폭이나 단위 길이당 에너지 하나로 정확한 Sa·Sv 값을 예측하지 못했다.

세 장비 모두 60~120 µm 범위의 용융풀을 만들었지만, A와 B의 Sa가 비슷한 동안 C의 Sa는 더 낮았고 Sv도 세 장비에서 일치하지 않았다.

폭을 늘릴 때 어떤 방향으로 변하는지와 특정 폭에서 얼마가 나오는지는 다른 질문인 셈이다.

장비 C에서는 폭이 125 µm를 넘는 구간에서 평균 거칠기가 다시 증가했다.

AlSi10Mg에서는 윤곽 용융풀 폭이 커져도 Sa와 Sv의 변화가 나타나지 않았다.

안정된 용융풀 분류의 시편은 구슬 모양으로 뭉치거나 윤곽이 불분명한 분류보다 덜 거칠었다.

이 결과에서는 폭을 순서대로 비교하는 것보다 안정된 상태와 불안정한 상태의 구분이 표면 차이를 읽는 데 도움이 된다.

연구진은 같은 레이저 속도와 출력이 고정된 용융풀 크기를 보장하지 않는다고 설명한다.

부품의 국소 형상이 열 전달 조건을 바꾸기 때문이다.

또한 키홀 용융에 가까워지면 표면 거칠기를 낮출 수 있지만, 표면 아래 기공이 생겨 기계적 성능에 해로울 수 있다.

따라서 매끈한 표면을 얻은 조건을 읽을 때는 내부 기공의 가능성을 별도로 남겨 두어야 한다.

이 연구가 보여주는 것은 폭 하나로 모든 장비의 표면을 예측하는 공식이 아니라, 같은 숫자도 장비와 소재의 범위를 벗어나면 다르게 읽어야 한다는 점이다.