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2 차원 유한요소해석을 이용한 DED 공정의 기저부 형상에 따른 잔류응력 특성 분석
이광규(K. K. Lee),임성훈(S. H. Yim),양지완(J. W. Yang),안동규(D.-G. Ahn) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
에너지 제어형 용착(Directed Energy Deposition, DED) 공정은 고 밀도 에너지원을 이용하여 용융지를 형성하고 기저부 및 재료를 완전 용융시켜 한 층씩 적층하며 제품을 제작하는 방식이다. DED 공정에서 국부적이고 급격한 열 이력에 의해 발생하는 잔류응력은 제품의 기계적 강도 저하, 균열 및 변형을 발생시킬 수 있으며, 기저부 및 적층부 형상에 따라 다르게 나타난다. 이 연구에서는 2 차원 유한요소 해석을 이용하여 DED 공정의 기저부 형상에 따른 잔류응력 특성 분석을 진행하고자 한다. 기저부 및 적층부 소재는 S45C 및 Inconel 718 을 이용하였으며, 온도 의존 열 및 기계 물성데이터는 상용 프로그램인 JmatPro 에서 도출된 데이터를 이용하였다. SYSWELD 15.5를 이용하여 2 차원 유한요소 해석 모델을 생성 하였으며 계산을 통해 도출된 자연대류 및 등가 열 손실 계수와 고정 경계조건을 적용하였다. 적층 경로는 단방향 Zig-zag 로 설정한 후 적층 형상에 따른 CAM 경로를 고려하여 적층부를 모델링 하였다. 기저부 형상은 절삭 공정 및 3 축 적층을 고려하여 경사각에 따라 3 가지 유형으로 모델링 하였다. 적층해석 결과 기저부 형상에 각도가 증가할수록 기저부에 발생하는 잔류응력이 증가하는 경향을 보였다. 잔류응력 측면에서는 기저부의 각도를 감소 시켜야 하지만 CAM 경로를 함께 고려했을 때 기공이 발생 할 수 있는 각도는 지양해야 할 것으로 사료되었다.
DED 공정을 이용한 적층 경로 및 재료에 따른 잔류응력 특성 분석
임성훈(S. H. Yim),이광규(K. K. Lee),안동규(D.-G. Ahn) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
DED 공정에서의 잔류응력은 국부적이고, 급격한 열이력에 의해 발생한다. 잔류응력 저감 방법에 대한 연구가 진행되고 있지만 적층 경로와 적층 재료 와의 관계에 대한 연구는 부족하다. 이 연구에서는 DED 공정을 이용한 실험 및 3 차원 열-기계 연계 유한요소 해석을 통해 적층 경로 및 적층 재료에 따라 나타나는 잔류응력 특성을 분석하고자 한다. 적층 실험은 단일, 다열 및 다층 순으로 진행되었으며, SCM 440 위 G6 및 SUS316L 위 SUS316L 적층 시편을 제작하였다. 유한요소 해석 모델은 실험 결과 도출된 적층부 특성데이터를 이용하여 생성하였으며, 해석은 상용 소프트웨어인 SYSWELD V15.5 를 이용하였다. 해석에 적용된 물성데이터는 JmatPro V12.0 를 통해 도출된 온도 의존 열 물성을 적용하였다. 실험 조건을 기반으로 자연대류, 등가 열 손실 계수 도출 및 고정 경계조건을 해석모델에 적용하였다. 단일 비드 및 다열 비드 해석을 통해 도출된 열원 효율을 기반으로 적층 경로에 따라 10 × 10 mm 4 층 열-기계 해석을 진행하였다. 응력 분포, 최대 응력 발생 위치, 응력 변화 및 열 이력을 도출 하였으며, 적층 경로 및 적층 재료에 따라 적층부 및 적층부 주변에 발생하는 잔류응력 특성을 비교분석을 통해 적층 재료 별 잔류응력이 최소화 되는 적층 경로를 선정 하였다. 또한, 적층 재료에 따라 적정 적층 경로가 상이하다는 것을 알 수 있었다.