KR20230067954A - 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 시스템 및 이를 이용한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법 - Google Patents

레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 시스템 및 이를 이용한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소재 및 공정변수 데이터베이스에 기반 한 고밀도 및 고강도를 갖는 타이타늄 합금 적층 시스템 및 이를 이용한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법에 관한 것으로, 공정변수에 따른 데이터베이스를 설정하고 이에 따른 에너지 밀도 구간을 예측하여 고밀도 및 고강도 특성을 가지는 타이타늄 적층 조형물을 생성할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법은, 공정변수설정부가 타이타늄 합금분말을 완전 용융하기 위한 레이저 관련 공정변수 설정하는 제1단계; 레이어형성부가 상기 설정된 공정변수에 따라 상기 타이타늄 합금분말을 공급하고, 레이저를 조사하여 레이어를 형성하는 제2단계; 데이터생성부가 상기 설정된 공정변수를 이용하여 상기 형성된 레이어의 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스를 생성하는 제3단계; 공통영역확인부가 상기 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스의 겹침(overlap) 확인을 통해, 공통적으로 최대밀도 및 최대경도를 나타내는 최적화 영역을 도출하는 제4단계; 및 상기 도출된 최적의 영역에 따라, 상기 레이저형성부가 적층 조형물이 완성될 때까지 레이저를 조사하여 레이어를 반복 적층하는 제5단계;를 포함한다.

Description

레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 시스템 및 이를 이용한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법{MANUFACTURING SYSTEM FOR TITANIUM ALLOY MULTI-LAYER WITH HIGH DENSITY AND HIGH STRENGTH BASED ON LASER-MELTING AND MANUFACTURING METHOD FOR TITANIUM ALLOY MULTI-LAYER SHAPED STRUCTURE THEREOF}
본 발명은 소재 및 공정변수 데이터베이스에 기반 한 고밀도 및 고강도를 갖는 타이타늄 합금 적층 시스템 및 이를 이용한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법에 관한 것으로, 공정변수에 따른 데이터베이스를 설정하고 이에 따른 에너지 밀도 구간을 예측하여 고밀도 및 고강도 특성을 가지는 타이타늄 적층 조형물을 생성할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
티타늄 및 티타늄 합금은 밀도가 낮고, 강도가 높고, 내열성이 강하며, 내식성이 좋고, 무독성 및 우수한 생체적합성 등의 성능을 가지고 있다. 타이타늄 합금 기반 적층제조는 전체 금속 적층 제조 공정의 20%를 차지하는 등 항공 우주, 생체의용, 자동차 등에 널리 사용되고 있다.
현재 티타늄 합금 3D 프린팅 기술은 우주 항공 엔진중의 소형 정밀부재와 우주 대형화부재의 직접 성형에 사용되어 왔다. 1997년 미국 Sandia 국가 실험실에서는 레이저 증재를 이용하여 성형 티타늄 합금 부재를 제조하는 의사를 제안하였고, 레이저 용융 증착 기술을 이용하여 1편의 Ti6Al4V 티타늄 합금 엔진 블레이드를 제작하였다. 2012년 증재 제조 기술의 연구, 응용은 몇 가지 큰 진전을 가져왔다. NASA과 같이 선택적 레이저 용융 기술을 사용하여 금속 부품을 제조하고, 이를 J-2X 엔진부품 제조에 사용할 예정이다. 티타늄 합금 부품은 가공 과정에서 용융풀에서 복잡한 화학 반응이 발생하였고, 입력된 열원은 분말 소재(입도, 유동성, 구형도 등)와 레이저 파라미터(레이저 파워, 스캔 속도, 스캔 간격 등)가 성형 부품에 중요한 영향을 미친다. 따라서 성형품 내부의 기공, 크랙, 잔류 응력 등의 조직결함을 유발하여 성형체의 기계적 물성 및 사용의 안정성 및 신뢰성에 영향을 미치게 되므로, 조직 및 성능이 우수한 티타늄 합금 부품을 얻기 위해서는 분말 원자재와 레이저 파라미터의 제어가 매우 중요하다.
종래의 경우 레이저 용융 공정에 기반 한 타이타늄 적층 조형물 제조는 에너지 밀도를 결정하기 어렵고, 조형이 까다로운 문제점이 있었다. 체적 에너지 밀도(Volumetric Energy Density)를 이용한 종래의 적층 제조 합금 특성 예측의 경우, DED 공정에서 대표적 공정변수 중 하나인 이송속도(feed rate, g/min)가 에너지 밀도 인자에 포함되어 있지 않아 DED 공정에서의 밀도 및 경도 분포를 예측하기에 어려움이 있었다. 실제로 기존 체적 에너지 밀도(Volumetric Energy Density)를 활용한 상대밀도 및 경도 예측 결과, DED 공정 중 경향성 예측에 어려움이 있음을 확인할 수 있다.
한국공개특허 제10-2019-0053091호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저 용융 공정을 활용한 타이타늄 합금 적층 성형 가공 시 고밀도 및 고강도를 갖는 레이저를 식별하고, 공정변수를 매칭 후 에너지 밀도를 결정할 수 있는 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법을 제공하는 것이다.
발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법은,
공정변수설정부가 타이타늄 합금분말을 완전 용융하기 위한 레이저 관련 공정변수 설정하는 제1단계;
레이어형성부가 상기 설정된 공정변수에 따라 상기 타이타늄 합금분말을 공급하고, 레이저를 조사하여 레이어를 형성하는 제2단계;
데이터생성부가 상기 설정된 공정변수를 이용하여 상기 형성된 레이어의 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스를 생성하는 제3단계;
공통영역확인부가 상기 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스의 겹침(overlap) 확인을 통해, 공통적으로 최대밀도 및 최대경도를 나타내는 최적화 영역을 도출하는 제 4단계;
상기 도출된 최적화 영역에 따라, 상기 레이저형성부가 적층 조형물이 완성될 때까지 레이저를 조사하여 레이어를 반복 적층하는 제 5단계;를 포함하고,
상기 제1단계에서 레이저 관련 공정변수는,
레이저전력(laser power, P), 스캔속도(scan speed, V), 레이저스팟크기(laser spot size, D) 또는 해칭공간(hatch spacing, H), 및 이송속도(feed rate, R)인 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 기존 레이저 용융 공정에서 결정하기 어려운 에너지 밀도를 데이터베이스에 기반 해 검증하여 조형이 까다로운 타이타늄 합금의 치밀화 및 고강도화를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 레이저 용융 기반 한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법을 보여주는 순서도이다.
도 2는 종래 체적 에너지 밀도(Volumetric Energy Density)를 이용한 타이타늄 합금 특성 예측 방법에서의 상대밀도 분포(A) 및 경도 분포(B) 예측 결과이다.
도 3은 본 발명을 통한 상대밀도 분포(A) 및 경도 분포(B) 데이터베이스 결과이다.
도 4는 본 발명에 따라 상대밀도 분포(A) 및 경도 분포(B)에서 최적화 영역을 도출하기 위한 등고선도(Contour map)를 구성이다.
도 5는 본 발명에 따라 도 3 및 도 4의 데이터베이스에서 밀도 및 경도의 겹침(overlap) 확인을 통해, 상대밀도와 경도가 공통적으로 최대밀도 및 최대경도를 나타내는 최적화 영역을 도출한 결과이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명인 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법은, 도 1에 나타난 순서도와 같이 수행된다.
먼저, 제1단계(S10)는 공정변수설정부가 타이타늄 합금분말을 완전 용융하기 위한 레이저 관련 공정변수 설정한다.
상기 공정변수는 레이저전력(laser power, P), 스캔속도(scan speed, V), 레이저스팟크기(laser spot size, D) 또는 해칭공간(hatch spacing, H), 및 이송속도(feed rate, R)인 것이 바람직하다.
도 2는 종래 체적 에너지 밀도(Volumetric Energy Density)를 이용한 타이타늄 합금 특성 예측 방법에서의 상대밀도 분포(A) 및 경도 분포(B) 예측 결과를 나타낸 것으로, 체적 에너지 밀도(Volumetric Energy Density)는 아래 [식 1]에 의해 계산된다.
[식 1]
Figure pat00001
체적 에너지 밀도를 이용한 적층제조 합금의 특성 예측의 경우, DED 공정에서 대표적인 공정변수 중 하나인 이송속도(feed rate)가 에너지 밀도 인자에 포함되지 않아 DED 공정에서 밀도 및 경도 분포를 예측하기 어려운 문제가 있었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 실제로 기존 체적 에너지 밀도(Volumetric Energy Density)를 활용한 상대밀도 및 경도 예측 결과 DED 공정 중 경향성 예측에 어려움이 있음을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명은 공정변수설정부에서 공정변수에 이송속도(feed rate)를 포함하여 상대밀도 분포 및 경도 분포 예측을 용이하게 하고자 하였다.
다음으로, 제2단계(S20)는 레이어형성부가 상기 설정된 공정변수에 따라 상기 타이타늄 합금분말을 공급하고, 레이저를 조사하여 레이어를 형성한다.
다음으로, 제3단계는 데이터생성부가 상기 설정된 공정변수를 이용하여 상기 형성된 레이어의 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스를 생성한다.
종래 기존 체적 에너지 밀도(Volumetric Energy Density)를 활용한 상대밀도 및 경도 분포 예측이 어려운 문제점을 해결하기 위해, 아래 [식 2] 및 [식 3]에 나타난 바와 같이, 레이저 클레딩(laser cladding) 공정에 적용된 계산식을 확장하여 레이저 기반의 적층 제조 공정인 DED Ti64에 적용하고, 조형체의 기계적 특성 최적화를 위한 공정변수 범위 예측을 위해 [표 1]과 같이 테이블을 설정한다.
　 Laser
power
(W) 		Scan
speed
(mm/min) 		Hatch
space
(mm) 		Layer
thickness
(mm) 		Feed
rate
(g/min) 		Powder
deposition
density
(g/mm 2 ) 		Energy
per
unit area
(J/mm 2 ) 		Hard ness
(Hv) 		Relative density
1 160 1000 0.3 0.15 0.4 0.001333333 32 289 0.885953406
2 160 850 0.3 0.15 0.5 0.001960784 37.64705882 306.1 0.955885929
3 160 850 0.3 0.15 0.6 0.002352941 37.64705882 294.9 0.973026595
4 160 850 0.3 0.15 0.7 0.002745098 37.64705882 306.7 0.95744589
5 160 960 0.3 0.15 0.4 0.001388889 33.33333333 302.8 0.872423847
6 180 850 0.3 0.15 0.5 0.001960784 42.35294118 301.9 0.930851724
7 180 850 0.3 0.15 0.6 0.002352941 42.35294118 317.9 0.958823774
8 180 850 0.3 0.15 0.7 0.002745098 42.35294118 286.7 0.971652971
9 160 925 0.3 0.15 0.4 0.001441441 34.59459459 345.1 0.947407972
10 200 850 0.3 0.15 0.5 0.001960784 47.05882353 289.2 0.96778315
11 200 850 0.3 0.15 0.6 0.002352941 47.05882353 291.6 0.97082511
12 200 850 0.3 0.15 0.7 0.002745098 47.05882353 275 0.96961023
13 160 890 0.3 0.15 0.4 0.001498127 35.95505618 319.6 0.955278524
14 220 850 0.3 0.15 0.5 0.001960784 51.76470588 289.7 0.976849675
15 220 850 0.3 0.15 0.6 0.002352941 51.76470588 285.8 0.997089777
16 220 850 0.3 0.15 0.7 0.002745098 51.76470588 283.8 0.977818084
17 180 1000 0.3 0.15 0.4 0.001333333 36 288.5 0.979550431
18 160 925 0.3 0.15 0.5 0.001801802 34.59459459 317.5 0.965418403
19 160 925 0.3 0.15 0.6 0.002162162 34.59459459 321.2 0.97848299
20 160 925 0.3 0.15 0.7 0.002522523 34.59459459 314.2 0.961282417
21 180 960 0.3 0.15 0.4 0.001388889 37.5 315.7 0.956878808
22 180 925 0.3 0.15 0.5 0.001801802 38.91891892 327 0.945983559
23 180 925 0.3 0.15 0.6 0.002162162 38.91891892 314.9 0.98475719
24 180 925 0.3 0.15 0.7 0.002522523 38.91891892 321.1 0.981216257
25 160 850 0.3 0.15 0.4 0.001568627 37.64705882 307.2 0.928783474
26 200 925 0.3 0.15 0.5 0.001801802 43.24324324 314.1 0.959609217
27 200 925 0.3 0.15 0.6 0.002162162 43.24324324 310.1 0.962766394
28 200 925 0.3 0.15 0.7 0.002522523 43.24324324 311.7 0.979485806
29 180 925 0.3 0.15 0.4 0.001441441 38.91891892 337.1 0.947796233
30 220 925 0.3 0.15 0.5 0.001801802 47.56756757 320 0.996703737
31 220 925 0.3 0.15 0.6 0.002162162 47.56756757 317.6 0.982308974
32 220 925 0.3 0.15 0.7 0.002522523 47.56756757 308.3 0.979092915
33 200 1000 0.3 0.15 0.4 0.001333333 40 288 0.96046614
34 160 1000 0.3 0.15 0.5 0.001666667 32 292.5 0.968145459
35 160 1000 0.3 0.15 0.6 0.002 32 286.9 0.975641509
36 160 1000 0.3 0.15 0.7 0.002333333 32 277.2 0.979423371
37 180 890 0.3 0.15 0.4 0.001498127 40.4494382 313.3 0.95336944
38 180 1000 0.3 0.15 0.5 0.001666667 36 294.3 0.981412017
39 180 1000 0.3 0.15 0.6 0.002 36 289.5 0.987597504
40 180 1000 0.3 0.15 0.7 0.002333333 36 285.3 1.001850555
41 200 960 0.3 0.15 0.4 0.001388889 41.66666667 321.1 0.978859175
42 200 1000 0.3 0.15 0.5 0.001666667 40 300.2 0.983457252
43 200 1000 0.3 0.15 0.6 0.002 40 296.9 0.97590534
44 200 1000 0.3 0.15 0.7 0.002333333 40 293 0.979727058
45 180 850 0.3 0.15 0.4 0.001568627 42.35294118 310.5 0.978731161
46 220 1000 0.3 0.15 0.5 0.001666667 44 318 0.987632184
47 220 1000 0.3 0.15 0.6 0.002 44 312.9 0.992129683
48 220 1000 0.3 0.15 0.7 0.002333333 44 316.6 0.974477157
49 200 925 0.3 0.15 0.4 0.001441441 43.24324324 333.1 0.956376113
50 220 1000 0.3 0.15 0.4 0.001333333 44 333.7 0.995523659
51 200 890 0.3 0.15 0.4 0.001498127 44.94382022 317.9 0.944806692
52 220 960 0.3 0.15 0.4 0.001388889 45.83333333 325.1 0.964493961
53 200 850 0.3 0.15 0.4 0.001568627 47.05882353 301.7 0.971760753
54 220 925 0.3 0.15 0.4 0.001441441 47.56756757 318.5 0.977929989
55 220 890 0.3 0.15 0.4 0.001498127 49.43820225 319.6 0.981306246
56 220 850 0.3 0.15 0.4 0.001568627 51.76470588 284.1 0.970537958
57 160 890 0.3 0.15 0.5 0.001872659 35.95505618 310.6 0.968635543
58 160 960 0.3 0.15 0.5 0.001736111 33.33333333 315.7 0.96811633
59 180 890 0.3 0.15 0.5 0.001872659 40.4494382 321.2 0.979216999
60 180 960 0.3 0.15 0.5 0.001736111 37.5 316.2 0.97172893
61 200 890 0.3 0.15 0.5 0.001872659 44.94382022 310.2 0.970419203
62 200 960 0.3 0.15 0.5 0.001736111 41.66666667 315.9 0.962037713
63 220 890 0.3 0.15 0.5 0.001872659 49.43820225 327.7 0.956484997
64 220 960 0.3 0.15 0.5 0.001736111 45.83333333 333.0 0.972360545
65 160 890 0.3 0.15 0.6 0.002247191 35.95505618 328.8 0.967276302
66 160 960 0.3 0.15 0.6 0.002083333 33.33333333 346.8 0.960131345
67 180 890 0.3 0.15 0.6 0.002247191 40.4494382 312.2 0.973855889
68 180 960 0.3 0.15 0.6 0.002083333 37.5 315.0 0.97286916
69 200 890 0.3 0.15 0.6 0.002247191 44.94382022 325.3 0.992602023
70 200 960 0.3 0.15 0.6 0.002083333 41.66666667 304.3 0.97452252
71 220 890 0.3 0.15 0.6 0.002247191 49.43820225 325.7 0.97508805
72 220 960 0.3 0.15 0.6 0.002083333 45.83333333 323.1 0.983874848
73 160 890 0.3 0.15 0.7 0.002621723 35.95505618 312.8 0.963990489
74 160 960 0.3 0.15 0.7 0.002430556 33.33333333 309.5 0.96043305
75 180 890 0.3 0.15 0.7 0.002621723 40.4494382 314.3 0.976530664
76 180 960 0.3 0.15 0.7 0.002430556 37.5 325.7 0.97136006
77 200 890 0.3 0.15 0.7 0.002621723 44.94382022 329.8 0.96914548
78 200 960 0.3 0.15 0.7 0.002430556 41.66666667 327.7 0.969748816
79 220 890 0.3 0.15 0.7 0.002621723 49.43820225 330.0 0.949794307
80 220 960 0.3 0.15 0.7 0.002430556 45.83333333 321.6 0.974132783
보다 구체적으로, 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스는 x축은 분말 적층 밀도(powder deposition density)이고, y축은 단위면적 당 에너지(Energy per unit area)로 레이블을 설정한다. 도 3 데이터베이스의 검은색 점선 표시에 나타난 바와 같이, 융합 부족 결함(Lack of fusion) 형성과 같은 미세조직적 인자로 인한 ZoneⅠ 영역, 건전한 조형체 제조를 위한 최적의 ZoneⅡ 영역과 과용융(Overmelting)에 따른 기공 형성으로 인한 ZoneⅢ 영역을 확인할 수 있다.
여기서, 상기 분말 적층 밀도(powder deposition density)는 아래 [식 2]에 의해 계산된다.
[식 2]
Figure pat00002
(여기서, R은 이송속도(feed rate), V는 스캔속도(scan speed), D는 레이저스팟크기(laser spot size), H는 해칭공간(hatch spacing) 임).
또한, 상기 단위면적 당 에너지(Energy per unit area)는 아래 [식 3]에 의해 계산된다.
[식 3]
Figure pat00003
(여기서, P는 레이저전력(laser power), V는 스캔속도(scan speed), D는 레이저스팟크기(laser spot size), H는 해칭공간(hatch spacing) 임).
[식 2] 및 [식 3]에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 분말 적층 밀도(powder deposition density)와 단위면적 당 에너지(Energy per unit area)는 레이저 출력, 스캔속도 및 이송속도를 모두 고려한 모델의 데이터베이스로 구성됨을 확인할 수 있다.
도 3에 나타난 상기 데이터베이스는 공정변수에 변화에 따라 DED Ti64 80개의 상대밀도 분포 및 경도 분포를 확인할 수 있다.
다음으로, 제4단계(S40)는 공통영역확인부가 상기 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스의 겹침(overlap) 확인을 통해, 공통적으로 최대밀도 및 최대경도를 나타내는 최적화 영역을 도출한다.
보다 구체적으로, 상기 공통영역확인부는 상기 데이터생성부에서 생성한 도 4의 상대밀도 분포와 경도 분포 데이터베이스를 겹침(overlap)을 수행하여 도 5와 같이 나타낸 후, 도 5의 검은색 점선 표시에 나타난 바와 같이, 상대밀도와 경도가 공통적으로 최대밀도 및 최대경도를 나타내는 최적화된 영역을 확인한다. 이를 통해 기존 DED 공정 최적화에 가장 문제가 되었던 체적 에너지 밀도(Volumetric Energy Density)를 활용한 공정최적화 예측을 벗어나, 레이저 전력 및 이송속도를 포함한 다양한 공정변수를 활용한 공정 예측을 할 수 있다.
상기 데이터생성부에서 계산된 상기 공정변수 변화에 따른 80개의 DED Ti64 데이터베이스를 기반으로 상대밀도와 경도 분포 데이터베이스를 겹침(overlap) 한 결과 타이타늄의 경우, 도 5의 검은색 점선 표시에 나타난 바와 같이, 단위 면적당 유효 에너지(Eeff)는 44 내지 47 J/㎟ 영역이고, 유효 분말 적층 밀도(PDDeff)는 0.002 내지 0.0025 g/㎟ 영역 인 것으로 확인되었다.
미세조직적 인자 및 과용융에 따른 기공 형성 등으로 인해 상기 단위 면적당 유효 에너지(Eeff) 및 유효 분말 적층 밀도(PDDeff)가 최소 또는 최대인 영역에서 상대밀도와 경도 결과에 오차가 일부 발생하나, 현재 모델은 기존 체적 에너지 밀도(Volumetric Energy Density) 모델과 달리 DED 공정에서 최대밀도 및 최대경도가 나타나는 변수를 직관적으로 보여주고 두 변수가 모두 최적화 영역을 도출할 수 있다.
다음으로, 제5단계(S50)는 상기 도출된 최적화 영역에 따라, 상기 레이저형성부가 적층 조형물이 완성될 때까지 레이저를 조사하여 레이어를 반복 적층한다.
아래는 본 발명인 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법을 이용한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 시스템에 관해 설명하고자 한다.
먼저, 공정변수설정부는 타이타늄 합금분말을 완전 용융하기 위한 레이저 관련 공정변수를 설정한다.
상기 공정변수설정부에서 설정하는 공정변수는 레이저전력(laser power, P), 스캔속도(scan speed, V), 레이저스팟크기(laser spot size, D) 또는 해칭공간(hatch spacing, H), 및 이송속도(feed rate, R)인 것이 바람직하다.
체적 에너지 밀도(Volumetric Energy Density)를 이용한 적층제조 합금의 특성 예측의 경우, DED 공정에서 대표적인 공정변수 중 하나인 이송속도(feed rate)가 에너지 밀도 인자에 포함되지 않아 DED 공정에서 밀도 및 경도 분포를 예측하기 어려운 문제가 있었다. 따라서 본 발명은 공정변수설정부에서 공정변수에 이송속도(feed rate)를 포함하여 상대밀도 분포 및 경도 분포 예측을 용이하게 하고자 하였다.
다음으로, 레이어형성부는 상기 설정된 공정변수에 따라 상기 타이타늄 합금분말을 공급하고, 레이저를 조사하여 레이어를 형성한다. 상기 레이어형성부는 상기 제2단계(S20)에서 레이어를 형성한 후, 상기 제5단계(S50)에서 상기 도출된 최적화 영역에 따라, 상기 레이저형성부가 적층 조형물이 완성될 때까지 레이저를 조사하여 레이어를 반복 적층한다.
다음으로, 데이터생성부는 상기 설정된 공정변수를 이용하여 상기 형성된 레이어의 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스를 생성한다.
보다 구체적으로, 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스는 x축은 분말 적층 밀도(powder deposition density)이고, y축은 단위면적 당 에너지(Energy per unit area)로 레이블을 설정한다.
여기서, 상기 분말 적층 밀도(powder deposition density)는 아래 [식 2]에 의해 계산된다.
[식 2]
Figure pat00004
(여기서, R은 이송속도(feed rate), V는 스캔속도(scan speed), D는 레이저스팟크기(laser spot size), H는 해칭공간(hatch spacing) 임).
또한, 상기 단위면적 당 에너지(Energy per unit area)는 아래 [식 3]에 의해 계산된다.
[식 3]
Figure pat00005
(여기서, P는 레이저전력(laser power), V는 스캔속도(scan speed), D는 레이저스팟크기(laser spot size), H는 해칭공간(hatch spacing) 임).
다음으로, 공통영역확인부는 상기 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스의 겹침(overlap) 확인을 통해, 공통적으로 최대밀도 및 최대경도를 나타내는 최적화 영역을 도출한다.
상기 데이터생성부에서 계산된 상기 공정변수 변화에 따른 80개의 DED Ti64 데이터베이스를 기반으로 상대밀도와 경도 분포 데이터베이스를 겹침(overlap) 한 결과 타이타늄의 경우, 도 5의 검은색 점선 표시에 나타난 바와 같이, 단위 면적당 유효 에너지(Eeff)는 44 내지 47 J/㎟ 영역이고, 유효 분말 적층 밀도(PDDeff)는 0.002 내지 0.0025 g/㎟ 영역 인 것으로 확인되었다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 기존 레이저 용융 공정에서 결정하기 어려운 에너지 밀도를 데이터베이스에 기반 해 검증하여 조형이 까다로운 타이타늄 합금의 치밀화 및 고강도화를 달성할 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S10. 공정변수설정부가 타이타늄 합금분말을 완전 용융하기 위한 레이저 관련 공정변수 설정하는 제1단계
S20. 레이어형성부가 상기 설정된 공정변수에 따라 상기 타이타늄 합금분말을 공급하고, 레이저를 조사하여 레이어를 형성하는 제2단계
S30. 데이터생성부가 상기 설정된 공정변수를 이용하여 상기 형성된 레이어의 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스를 생성하는 제3단계
S40. 공통영역확인부가 상기 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스의 겹침(overlap) 확인을 통해, 공통적으로 최대밀도 및 최대경도를 나타내는 최적화 영역을 도출하는 제4단계
S50. 상기 도출된 최적화 영역에 따라, 상기 레이저형성부가 적층 조형물이 완성될 때까지 레이저를 조사하여 레이어를 반복 적층하는 제5단계

Claims (12)

  1. 타이타늄 합금분말을 완전 용융하기 위한 레이저 관련 공정변수를 설정하는 공정변수설정부;
    상기 설정된 공정변수에 따라 상기 타이타늄 합금분말을 공급하고, 레이저를 조사하여 레이어를 형성하는 레이어형성부;
    상기 설정된 공정변수를 이용하여 상기 형성된 레이어의 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스를 생성하는 데이터생성부;
    상기 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스의 겹침(overlap) 확인을 통해, 상대밀도와 경도가 공통적으로 최대밀도 및 최대경도를 나타내는 최적화 영역을 도출하는 공통영역확인부; 로 구성하되,
    상기 공정변수설정부에서 설정하는 공정변수는,
    레이저전력(laser power, P), 스캔속도(scan speed, V), 레이저스팟크기(laser spot size, D) 또는 해칭공간(hatch spacing, H), 및 이송속도(feed rate, R)인 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스는,
    x축은 분말 적층 밀도(powder deposition density)이고, y축은 단위면적 당 에너지(Energy per unit area)로 레이블을 설정하는 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 분말 적층 밀도(powder deposition density)는 아래 식 2에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 시스템 :
    [식 2]
    Figure pat00006

    (여기서, R은 이송속도(feed rate), V는 스캔속도(scan speed), D는 레이저스팟크기(laser spot size), H는 해칭공간(hatch spacing) 임).
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 단위면적 당 에너지(Energy per unit area)는 아래 [식 3]에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 시스템 :
    [식 3]
    Figure pat00007

    (여기서, P는 레이저전력(laser power), V는 스캔속도(scan speed), D는 레이저스팟크기(laser spot size), H는 해칭공간(hatch spacing) 임).
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제4단계에서 상기 최적화 영역에서 단위 면적당 유효 에너지(Eeff)는,
    44 내지 47 J/㎟ 영역인 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제4단계에서 상기 최적화 영역에서 유효 분말 적층 밀도(PDDeff)는,
    0.002 내지 0.0025 g/㎟ 영역인 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 시스템.
  7. 공정변수설정부가 타이타늄 합금분말을 완전 용융하기 위한 레이저 관련 공정변수 설정하는 제1단계;
    레이어형성부가 상기 설정된 공정변수에 따라 상기 타이타늄 합금분말을 공급하고, 레이저를 조사하여 레이어를 형성하는 제2단계;
    데이터생성부가 상기 설정된 공정변수를 이용하여 상기 형성된 레이어의 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스를 생성하는 제3단계;
    공통영역확인부가 상기 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스의 겹침(overlap) 확인을 통해, 상대밀도와 경도가 공통적으로 최대밀도 및 최대경도를 나타내는 최적화 영역을 도출하는 제4단계;
    상기 도출된 최적화 영역에 따라, 상기 레이저형성부가 적층 조형물이 완성될 때까지 레이저를 조사하여 레이어를 반복 적층하는 제5단계; 를 포함하고,
    상기 제1단계에서 레이저 관련 공정변수는,
    레이저전력(laser power, P), 스캔속도(scan speed, V), 레이저스팟크기(laser spot size, D) 또는 해칭공간(hatch spacing, H), 및 이송속도(feed rate, R)인 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 상대밀도 분포 및 경도 분포 데이터베이스는,
    x축은 분말 적층 밀도(powder deposition density)이고, y축은 단위면적 당 에너지(Energy per unit area)로 레이블을 설정하는 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 분말 적층 밀도(powder deposition density)는 아래 [식 2]에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법 :
    [식 2]
    Figure pat00008

    (여기서, R은 이송속도(feed rate), V는 스캔속도(scan speed), D는 레이저스팟크기(laser spot size), H는 해칭공간(hatch spacing) 임).
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 단위면적 당 에너지(Energy per unit area)는 아래 [식 3]에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법 :
    [식 3]
    Figure pat00009

    (여기서, P는 레이저전력(laser power), V는 스캔속도(scan speed), D는 레이저스팟크기(laser spot size), H는 해칭공간(hatch spacing) 임).
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 제4단계에서 상기 최적화 영역에서 단위 면적당 유효 에너지(Eeff)는,
    44 내지 47 J/㎟ 영역인 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 제4단계에서 상기 최적화 영역에서 유효 분말 적층 밀도(PDDeff)는,
    0.002 내지 0.0025 g/㎟ 영역인 것을 특징으로 하는 레이저 용융 기반한 고밀도 및 고강도 타이타늄 합금 적층 조형물 제조방법.
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