적층 제조재 결함 제어 · 김래언 발표실

대한금속재료학회

김래언

Rae Eon Kim

POSTECH

GIFT

표면 강소성가공을 통한 적층 제조재의 결함 제어

Research field

Heterogeneous materials

Formability

Additive manufacturing

Functionaliy

김래언 (Rae Eon Kim)

Present: POSTECH, GIFT 박사과정 재학중

B.S: POSTECH, mechanical engieering
M.S: POSTECH, GIFT

introduction

Conclusion

1

2

3

연구 배경

표면 강소성가공을 통한 적층 제조재의 결함 제어

결론

표면 강소성가공을 통한 적층 제조재의 결함 제어

1)인트로 (motivation)
  
2) 실험 과정
 
3) 실험 결과 및 고찰

1) 적층 제조
 
2)   표면 강소성가공 

연구 배경

■ 적층 제조에 대한 응용

■ 적층 제조 (Additive Manufacturing)

Freedom of Design

Complexity of structure

Net-shaped Production

Powder bed fusion (PBF)

Direct energy deposition (DED)

Lightweight structure strategy 

Topology optimization

AM재의 경량화 구조는

더 우수한 기계적 물성을 요구함

[1] https://www.3dnatives.com/

[1]

연구 배경

[1] R.O. Ritchie et. al., Prog. Mater. Sci. 88 (2017) 467-498

[2] Y. Zhu et al., Mater. Res. Lett. 5 (2017) 527-532.

[3] Weiming Ji et al., Prog. Mater. Sci. 140 (2023) 101194

자연 재료

그라디언트 구조 재료

➢대부분의 자연 재료는 몸체에 그라데이션 층을 가지고 있음

➢금속 구조 재료의 그라디언트 구조화는, 우수한 기계적 특성을 보여줌.

[1]

[2]

[3]

연구 배경

➢그라디언트 구조를 얻기 위해 표면 강소성가공을 활용함

➢표면의 미세구조가 전위가 높은 나노 입자로 변화 (하드한 코팅층)

표면 강소성가공

Gradient 구조 발현

Ultrasonic Nanocrystal
Surface Modification 
(UNSM)

Shot peening

[1]

[1] N. Wang et. al., Prog. Chin. J. Mech. Eng. 34 (2021) 90

2. 표면 강소성가공을 통한 적층 제조재의 결함 제어

7

적층 제조재의 결함

■적층 제조재의 결함

적층 제조재의 결함

1. 표면 조도 심화

2. 내부 기공 형성

3. 표면 인장 잔류응력 발생

➢적층 제조 중 발생하는 결함들은, 기계적 기능을 저해함.

➢특히, 얇은 구조 채의 경우, 이러한 결함들이 더욱 크게 기계적 기능에 영향을 줌

[1] K. Jahns et. al., Int. J. Adv. Manuf. Technol. 34 (2021) 90

[2] S. M. H. Hojjatzadeh et. Al., Nat. Commun. 10 (2019) 3088

[1]

[2]

적층 제조재의 결함

■ 적층 제조재의 가공 후처리

[1] H. M. Khan et. al., Mach. Sci. Technol. 25 (2021) 1

[2] S. M. H. Hojjatzadeh et. Al., Nat. Commun. 10 (2019) 3088

Hot isostatic pressure (HIP)

Grinding/polishing

➢내부 결함 제어에 효과적

➢하지만 표면 조도를 개선하지 못함

➢표면 조도 개선에 효과적

➢하지만 내부 기공과 같은 체적 결함을 해결하는데 한계가 존재

연구 설계

■ 연구 과정

•As-built : 가공 후처리를 하지 않은 LPBF로 제작된 샘플

•As-polished : As-built를 1200-grit SiC paper으로 폴리싱한 샘플

•UNSM-treated : As-built를 UNSM 처리한 샘플

■ 연구 목표: 표면 강소성가공을 통한 적층 제조재의 결함 제어

1.2t

Frequency	Amplitude	Load	Feed-rate
20 kHz	30 um	30 N	0.03 mm/rev

	Laser power	Scan speed	Spot size	Hatch spacing	Layer thickness
Filling	370 W	1350 mm/s	130 um	0.09 um	0.05 mm
Contour	120 W	220 mm/s	50 um

316L STS

LPBF

표면 조도

As-built

As-polished

UNSM-treated

➢부분적으로 녹지 않은 분말 입자와 미세 크랙이 표면에 고루 분포되어 있음. 이는 크랙 생성과 전파로 이어질 수 있음.

➢UNSM 처리로 전체 표면 높이를 효과적으로 평탄화하여, 표면 거칠기가 향상되었음.

■ 표면 조도 개선

Ra: ∼8.01 μm

Ra: ∼1.07 μm

Ra: ∼0.02 μm

Surface roughness

기공 제어

➢표면 품질과 치수 정밀도를 위해 contour scan에 높은 에너지 밀도가 사용. 하지만 contour scan은 가스 포집과 기공 생성으로 이어짐.

➢UNSM 처리된 샘플은 거의 기공이 없었으며, 밀도가 가장 높음.

■ AM 재의 기공 제어 효과

Contour scan
(high energy density)

Filling scan

PBF

As-built

As-polished

UNSM-treated

잔류 응력

■ 압축 잔류 응력 발생

Laser melting

Surface deformation

인장 잔류 응력

압축 잔류 응력

Heating

Cooling

➢As-built은 열 구배, 응고 수축, 급속 냉각으로 인해 높은 표면 인장 잔류응력을 보임

➢UNSM-treated은 UNSM horn의 impact로 인해 상당한 압축 잔류응력을 보임.

추가적인 synergy 효과

그라디언트 구조화

➢UNSM의 영향을 받은 영역은 GND density, grain size, twinning에서 그라디언트 층을 나타냄. (Hard surface to soft core)

➢그라디언트 층은 추가적인 강화 효과를 생성하여 기계적 특성을 향상시킴

■ Gradient structure

UNSM-treated

As-built

그라디언트 구조화

➢변형 중, 하드-소프트 영역 간의 strain partioning으로 인한 추가 GND 발생.

➢HDI (Hetero-deformation-induced) stress 와 GND accumulation 이 UNSM-treated sample이 높음

■ 그라디언트 층을 통한 강화효과

Synegistic hardening

Hard

Soft

추가적인 강화 효과

기계적 물성

	YS (MPa)	U. El (%)	UTS (MPa)	T. El (%)	Post El (%)
As-built	507.9	34.7	658.5	47.6	12.9
As-polished	504.6	34.5	652.0	60.5	26.0
UNSM-treated	697.1	20.6	774.3	44.3	23.7

■ 기계적 물성

➢As-polished와 As-built는 서로 비슷한 flow stress 거동을 보임. 하지만, as-built는 짧은 연신율을 가짐.

➢UNSM-treated은 as-built보다 우수한 강도 연성을 보임

➢억제된 손상 진화와 시너지 강화 효과는 우수한 기계적 특성에 기여

*YS: Yield strength

UTS: Ultimate tensile stregnth

U. El: Uniform elongation

T. El: Total elongation

Post El: Post elongation

연구 정리

1. 표면 조도 개선

우수한 기계적 물성 달성

2. 내부 기공 제어

3. 표면 압축 잔류응력

4. 그라디언트 구조화

Damage suppression

Synergistic effect

결론

표면 강소성가공을 통한 적층 제조재의 결함 제어

➢적층 제조재는 적층 중 발생하는 결함들이 기계적 물성을 열화시킴

➢(i) 높은 표면 조도, (ii) 내부 기공, (iii) 표면 인장 잔류응력이 존재하며, 이는 AM 재의 기능을 저하시킴

AM 재의
결함

➢UNSM을 통한 표면 강소성가공은 (i) 내부 기공 제어, (ii) 표면 조도 개선, (iii) 표면 압축잔류응력 발생시켜 적층 재의 결함을 효과적으로 제어함. (보다 안정적인 변형에 기여)

➢추가적인 그라디언트 구조화는 높은 기계적 물성에 기여함.

표면강소성
가공을 통한
결함 제어

감사합니다

김래언

in Ph. D cousrse

POSTECH

GIFT