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- 저자 : 김주원(T. H. Kim) (검색결과 7 건)
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와이어 아크 적층 제조 기반 다층시편 적층 제조 시 위빙 공정해석 연구
김주원(J. W. Kim),김민겸(M. K. Kim),이명노(M. N. Lee),김태환(T. H. Kim),안희성(H. S. Ahn),장영섭(Y. S. Jang),허성호(S. H. Heo),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
금속 적층 제조 기술은 형상의 제약이 적고 여러 품종을 하나의 설비로 제작할 수 있어 다품종 소량생산에 매우 적합하여 자동차, 국방, 원자력 등 다양한 산업에서 주목받고 있는 신기술이다. 그 중에서도 Wire Arc Directed Energy Deposition (WA DED)는 다른 금속 적층 제조 기술에 비해 높은 적층 속도를 가지고 있으며, 대형 구조물의 적층 제조가 가능하다는 이점이 있다. 하지만 높은 입열량으로 인한 급격한 온도 변화로 용융풀이 불안정해지고, 결함이 발생하며, 기계적 물성치가 타 가공법에 비해 낮다는 단점이 있다. 이에 잔류응력을 줄여 열변형을 최소화하기 위해 WA DED 에 위빙 기법을 적용하려는 시도가 있었으나, 위빙 경로, 위빙 폭 등의 변수를 추가함에 따라 유한 요소 해석에 어려움이 있었다. 본 연구에서는 복수의 열원을 사용하여 위빙 효과를 모사하는 유한 요소 해석 기법을 이용하여 316L 스테인리스 강을 WA DED 로 적층 제조할 때의 공정 변수의 최적화를 시도하고자 한다. 단일 경로로 출력한 시편의 용융풀을 해석 결과와 비교하여 신뢰성을 검증한 후 열응력을 최소화할 수 있는 공정조건을 이용해 316L 스테인리스강을 단일벽 형태로 적층 제조하여 용융풀의 안정성과 미세조직 및 결함을 평가하였다. 에칭 후 OM/SEM 을 활용하여 분석한 결과 안정적인 용융풀이 형성되었으며 균일한 Austenite 조직이 생성됨을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제시된 복수의 열원을 이용한 유한 요소 해석 기법은 자동차, 국방, 원자력 등의 다양한 산업 현장에서 실제 제품을 적층 제조할 때 시행착오를 줄이기 위한 방안으로 활용될 것으로 사료된다.
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공정 조건에 따른 금속 적층 제조된 시편의 열변형량 예측 연구
김태환(T. H. Kim),윤찬혁(C. H. Yoon),김진환(J. H. Kim),김민겸(M. K. Kim),김동원(D. W. Kim),김주원(J. W. Kim),노종환(J. H. No),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
최근 항공 우주, 자동차, 선박 등의 고부가가치 산업에서 금속 적층 제조 기법을 적용하기 위한 연구와 산업화에 대한 움직임이 활발하다. 하지만, 해당 기법을 현장에 적용하기 위해서는 기존 공법으로 제작된 제품과의 물성 및 품질 격차, 그리고 높은 생산 비용 등의 문제가 발생하며 적층 제조 도중 발생하는 여러 결함들(균열, 박리, Lack of Fusion, Keyhole 등)에 대한 연구와 해결책이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 금속 적층 제조 기법의 최적 공정조건 및 서포트 구조를 열변형량(Thermal Deformation) 관점에서 분석하고자 한다. 이를 위해, 금속 적층 제조 기법 중 Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) 방식을 활용하여 각 공정조건 별로 제작된 시편들(As-built Specimens)의 열변형량을 측정하고, 열응력 해석(Simufact Additive)을 통해 계산된 잔류응력(Residual Stress)과 그에 의한 열변형량과 비교하여 검증한다. 본 연구에서 정립된 공정 조건 및 서포트 구조 설계 과정은 추후 금속 적층 제조 기법을 실제 산업에 적용하는데 활용할 수 있을 것으로 사료되며, 이를 통해 향후 실험실 스케일의 시편이 아닌 실제 사용 제품을 적층 제조 할 때 발생하는 결함들에 미리 대비할 수 있을 것으로 기대된다.
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3D 프린팅으로 적층 제조한 Open-cell 구조의 열적 특성 연구
노종환(J. H. No),김민겸(M. K. Kim),김동원(D. W. Kim),김주원(J. W. Kim),김태환(T. H. Kim),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
3D 프린팅으로 적층 제조 가능한 Open-cell 구조는 특정 형상의 Unit-cell을 규칙적인 배열로 구성하여 경량(Lightweight), 고강도/강성(High Strength/Stiffness), 에너지 흡수(Energy Absorption) 등 다양한 기계적 특성을 부여할 수 있다. 그뿐만 아니라 Open-cell 구조의 넓은 전열 면적을 활용하여 열원으로부터 전도된 열에너지를 대류를 통해 방출 함으로서 탁월한 열에너지 관리 능력도 부여할 수 있어 최근 글로벌 환경규제 및 에너지 효율화 요구 측면에서 자동차, 철도, 항공 우주 등 수송 분야의 부품 소재로서 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 Powder Bed Fusion (PBF) 기법으로 적층 제조한 다양한 Open-cell 구조의 열적 특성을 평가하고 설계 방안을 제시하고자 한다. 높은 비표면적(High Specific Surface Area)을 지닌 Open-cell 구조의 적층 공정 특성상 발생하는 Support 구조를 고려하여 제조 가능한 Cell 크기와 형상을 설계하였으며, 열전도 실험을 통해 정상(Steady) 및 과도(Transient) 상태에서의 열적 거동을 분석하였다. 실험 결과 Open-cell 구조의 표면에서 발생하는 대류 효과를 통해 기존 Solid 구조보다 열저항이 증가하고 열전도도가 감소함을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 평가된 Open-cell 구조의 열적 특성은 향후 수송 분야 뿐만 아니라 공정 과정에서 고열이 발생하는 플랜트 및 금형 등 광범위한 산업에서 고효율/고기능 소재로서 활용될 것으로 사료된다.
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금속 적층 방향과 시편 크기에 따른 17-4PH 강재의 적층 제조 시 기계적 물성 및 이방성 연구
김동원(D. W. Kim),김민겸(M. K. Kim),김주원(J. W. Kim),김태환(T. H. Kim),노종환(J. H. No),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
금속 적층제조, 통상 3D 프린팅으로도 불리는 기술은 전통적인 주조 혹은 단조 가공과 달리 형상에 대한 제약이 적어 기존 방식으로는 제작이 불가능한 형상 또한 제조할 수 있다는 장점이 있다. 또한 제작수 량에 따른 비용 변화가 적어 다품종 소량생산에 매우 적합한 생산 방식이며, 이러한 장점으로 인해 항공우주, 국방, 원자력 산업 등 다양한 분야에서 주목하고 있는 신기술이다. 하지만 복잡한 공정 조건과 이에 따른 출력물의 결함 발생 및 기계적 물성 변화가 완전히 규명되지 않아 실제 산업에 적용하기에는 제약이 많다. 이에 본 연구에서는 17-4PH 스테인레스강의 적층 방향별 기계적 물성의 이방성을 파악하고, 이를 미세조직 분석을 통하여 평가하고자 한다. 기계적 물성 파악을 위한 시편은 다양한 크기와 적층 방향을 설정하여 출력하였고, As-built 및 Solution Aging 조건에 대해 각각의 특성을 파악하였다. 측정 결과 As-built 조건에서 적층 방향별 이방성이 가장 크며 Solution Aging 시편의 경우 이방성이 감소하고 물성이 향상된 것을 확인할 수 있었다. OM/SEM 을 활용한 미세조직 분석 결과 Solution Aging 시편에서 보다 균일한 Martensite 조직을 확인하였다. 또한 시편의 크기 축소에 따라 결함에 의한 응력 집중 효과로 기계적 물성이 감소함을 확인하였다. 본 연구를 통해 파악된 17-4PH 스테인레스강의 적층 제조 시 시편 크기와 방향에 따른 기계적 물성과 미세조직 특성은, 추후 PBF 적층 제조 기술의 실제 산업 현장에 적용하기 위한 물성 평가 기준 마련에 활용할 수 있을 것으로 생각된다.
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3D 격자 구조의 저-고주파 대역에서의 진동 특성 연구
안예린(Y. L. Ahn),김민겸(M. K. Kim),곽민준(M. J. Kwak),김태환(T. H. Kim),김주원(T. H. Kim),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
3D 격자 구조 물질은 경량/고강도의 특성으로 인해, 다양한 산업군의 부품(BMW 사의 로브스터 브래킷 부품, 우주발사체용 추진 탱크 등) 들에 활용하려 하고있다. 하지만 경량/고강도 특성을 지닌 3D 격자 구조는 형상에 따라 진동/소음 발생이 취약할 수 있다. 진동 특성을 고려하지 않은 3D 격자 구조는 고유진동수에서의 공명 진동이 부품의 기계적 손상을 야기할 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 경량/고강도 특성을 지닌 격자구조의 진동/소음 특성을 분석하고, 이를 개선하기 위한 구조설계 연구를 진행하고자 한다. 3D 격자 구조는 Polyjet 방식으로 제조되었으며, 고유진동수와 1-3 차 모드 형상을 진동시험 및 구조해석에 기반하여 분석하였다. 모드 형상에서 격자구조의 취약부를 파악하였으며, 보강재 설계를 통해 개선 방안을 도출하였다. 3D 격자구조의 저-고주파수 대역에서의 응답함수 특성을 비교하기 위해 Frequency Response Function 을 통해 설계한 격자구조의 진동수에 따른 특성을 비교 분석하였다. 그 결과 보강재 설계가 Simple Truss 보다 강도/강성뿐만 아니라 진동 특성도 향상시키는 것을 확인하였다. 본 연구로 개발된 3D 격자 구조는 정적 기계적 특성을 고려할 뿐만 아니라 주파수 대역의 응답특성을 고려하여, 향후 경량/고강도, 진동/소음 저감 특성이 중요한 다양한 산업군에 활용 가능하며 기술적 이점을 제공해 줄 것으로 기대된다.
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금속 3D 프린팅 시편의 에너지 밀도에 따른 미세조직 및 기계적 물성 연구
곽민준(M. J. Kwak),김민겸(M. K Kim),안예린(Y. L. Ahn),김태환(T. H. Kim),김주원(J. W. Kim),서종환(J. Suhr) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
최근 금속 3D 프린팅 기술이 고도화됨에 따라, 금속 3D 프린팅 기술을 활용한 경량(Lightweight), 고강도(High Strength) 및 고강성(High Stiffness) 및 연성 특성을 지닌 소재 개발에 대한 관심이 집중되고 있다. 이러한 소재는 적층 공정에 따라 기존의 주조, 단조 방식에 구현되지 않는 다차원적인(Heterogeneous) 미세조직이 형성되기에, 적층 공정을 제어하여 높은 물성을 지닌 소재를 개발하는 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 하지만 금속 3D 프린팅 공정은 용융풀이 중첩되어 적층되는 방식으로, 공정 예측이 어려워 미세조직뿐만 아니라 품질 및 물성을 제어하기가 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 Powder Bed Fusion (PBF) 방식의 에너지 밀도(Energy Density)에 따른 17-4PH Stainless Steel 의 품질, 미세조직 및 물성을 분석하고, 이의 상관관계를 실험적으로 규명하고자 한다. 이를 통해 결함이 없고(Defect-free), 높은 기계적 물성을 지닌 PBF 공정 조건을 개발하고자 한다. 본 연구에서 분석한 결과 높은 에너지 밀도에서는 상대적으로 Delta-ferrite 가 높은 온도에 의해 Austenite 로 상변화되어 낮은 분율의 Delta-ferrite가 형성이 되었다. 이는 강도/강성 향상에 주요한 영향을 미치는 것을 실험적으로 규명하였다. 본 연구에서 공정 조건 설계를 통해 개발한 17-4PH Stainless Steel 은 고품질 및 높은 물성을 지니어, 다양한 산업군(자동차, 로봇, 항공/우주, 방위산업 및 의료기기 등) 다양한 분야에도 활용이 가능할 것이다.
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