Smart Fusion - 피드백 루프 제어
균일한 마이크로 구조용

2025년 3월 24일 | 읽기 시간: 7분 | 작성자: 토비아스 노보트니, 나르게스 미르자베이기, 도미니크 쿤츠, 울리히 클라인한스

과열은 복잡한 피처와 평평한 오버행의 제작성, 다운페이싱 표면의 품질 및 완성된 부품의 재료 특성에 영향을 미치는 금속 레이저 파우더 베드 용융(PBF-LB/M)의 주요 과제입니다. 과거에는 Smart Fusion피드백 루프 제어 시스템이 어떻게 서포트 구조의 필요성을 줄일 수 있는지에 대해 설명한 바 있지만, 이번 기사에서는 열 이력 및 미세 구조 형성에 대한 효과를 소개하고자 합니다. 광기술연구소(LPT)와 협력하여 열 축적을 유발하는 형상에서 표준 개방형 루프 프로세스와 Smart Fusion 폐쇄형 루프 프로세스를 비교했습니다. 그 결과, Smart Fusion 빌드 전체에 걸쳐 일관된 열 특성을 보장함으로써 미세 구조의 균질성과 경도를 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다.

과열 및 Smart Fusion 기본 사항

PBF-LB/M에서는 레이저가 각 레이어가 있는 파트에 반복적으로 에너지를 전달합니다. 에너지가 공정 영역에서 충분히 전달되지 않으면 제작 중에 열이 축적되어 결국 과열로 이어질 수 있습니다. 적층 가공 엔지니어는 과열의 위험성을 잘 알고 있으며, 과열의 영향을 완화할 수 있는 옵션을 항상 보유하고 있습니다.

과열에 대처하는 일반적인 방법은 다음과 같습니다:

대기 시간 추가(예: 냉각 시간을 늘리기 위한 최소 레이어 또는 벡터 시간)
빌드 플레이트에 더 나은 열 전도를 위해 더 많은 지지 구조 사용
레이저 출력 감소 등 공정의 에너지 투입량 감소

그러나 대기 시간과 서포트 볼륨이 증가하면 제작 시간이 길어지고 부품 비용이 높아지며, 에너지 입력이 줄어든 파라미터는 부품 밀도를 떨어뜨릴 수 있습니다. 따라서 다른 솔루션이 필요합니다.

그림 1은 과열되기 쉬운 일반적인 기하학적 특징이 있는 몇 가지 예시적인 빌드 작업과 Smart Fusion 사용 및 미사용 시 해당 열 시그니처를 보여줍니다.

AlSi10Mg 브래킷과 같은 복잡한 형상에서는 돌출부나 작은 피처가 열 흐름을 제한하는 곳에서 열 축적이 발생합니다. 안정적인 조건을 달성하려면 이러한 영역에서 레이저 출력을 줄여야 합니다.

MS1 툴링 인서트 작업과 같이 노출 영역이 작고 레이어 시간이 짧은 빌드 작업에서는 일반적으로 열이 레이어마다 축적됩니다. 이로 인해 평형에 도달할 때까지 파트 표면 온도가 상승합니다. 따라서 제작 높이에 따라 에너지 입력을 점진적으로 줄여야 합니다.

이상적으로 에너지 입력은 파트 형상과 빌드 작업 부하(즉, 레이어 시간)에 따라 동적으로 조정되어야 합니다. 이를 위해서는 파트의 열 조건이 안정적으로 유지되도록 해야 합니다.

한 가지 가능한 해결책은 빌드 작업 중 열 신호를 측정하고 컨트롤러를 사용하여 수집된 측정 데이터를 기반으로 로컬에서 에너지 입력을 조절하는 것입니다. 당사의 폐쇄 루프 제어 시스템인 Smart Fusion 광학 단층 촬영(EOS Exposure OT)으로 기록된 그레이 값을 모니터링하고 이를 재료 및 공정별 목표 그레이 값과 비교하여 다음 층의 마이크로 벡터 수준에서 레이저 출력을 적절히 조정합니다.

그림 2는 Smart Fusion 작동 원리를 보여줍니다. Smart Fusion 만들어내는 차이는 공정 외관을 관찰할 때 즉시 확인할 수 있습니다.

다음 동영상은 Smart Fusion 사용한 까다로운 지오메트리의 예시적인 레이어 노출과 표준 오픈 루프 프로세스의 비교를 보여줍니다. 그림 3은 이 지오메트리와 두 프로세스의 비교 스냅샷을 보여줍니다.

이 연구에서는 과열의 영향을 보여주기 위해 이전 연구에서도 사용되었던 세 개의 거꾸로 된 원뿔로 구성된 테스트 지오메트리("열 축적 데모")를 선택했습니다. 이 데모에서는 열 병목 현상 역할을 하는 얇은 연결 실린더로 인해 원뿔에 열이 빠르게 축적되었습니다. Smart Fusion 사용하지 않으면 부품이 노출된 후에도 뜨거운 부품 표면이 장시간 동안 눈에 띄게 됩니다.

표준 공정 파라미터는 과열에 강하지만, 여러 요소를 최적으로 절충한 것이므로 극단적인 형상이나 지나치게 짧은 레이어 시간에는 적합하지 않습니다. 이러한 공정 파라미터가 일반적으로 생성하는 공정 시그니처(즉, 평균 GV)를 Smart Fusion 목표로 사용하면 매우 복잡한 부품에서도 이상적인 결과를 얻을 수 있습니다.

열 이력 및 미세 구조에 미치는 영향

PBF-LB/M으로 처리된 부품은 용융 풀의 매우 빠른 냉각 속도와 인접한 스캔 벡터와 후속 레이어가 노출될 때 이전에 고형화된 재료의 주기적인 재가열로 정의되는 고유한 열 이력을 경험합니다. 과열이 발생하면 초기 냉각의 변화와 이후 고온에서의 유지가 모두 미세 구조 진화에 영향을 미칩니다.

재료의 응고된 이전 층의 표면 온도에 따라 현재 재료 층이 냉각될 수 있는 온도가 결정됩니다. 이러한 온도가 강철의 마르텐사이트 시작 온도(Ms)와 같이 상 변화가 발생하는 수준에 도달하면 준공 시 상 구성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 마르텐사이트 변환이 초기에 억제되거나 완전히 완료되지 않으면 더 높은 수준의 잔류 오스테나이트가 관찰되어 경도가 감소할 수 있습니다.

부품의 특정 영역에 고온이 충분히 오래 유지되면 공정 중 침전물 경화가 발생할 수 있습니다. 따라서 적층 시간은 공정 중 침전물 형성에 매우 중요할 수 있으며, 침전물은 빌드의 현재 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 국부적인 침전은 불균일한 경도와 잠재적으로 취성을 증가시킵니다.

고온에서는 AlSi10Mg의 실리콘이 풍부한 네트워크와 같이 PBF-LB/M에 형성된 일반적인 응고 구조가 거칠어지거나 심지어 용해되기 시작합니다. 이로 인해 준공 시 강도가 크게 감소할 수 있습니다(테스트에서 최대 44%의 경도 손실).

열이 심하게 축적되면 공정에서 이미 응고된 재료가 템퍼링될 수 있습니다. Ti6Al4V로 만든 까다로운 형상에서는 기존의 침상 마르텐사이트 대신 더 거칠고 라스처럼 생긴 강화 마르텐사이트가 관찰되었습니다.

후속 레이어에 의한 주기적인 재가열은 이미 응고된 재료를 "템퍼링"하여 미세 구조에도 영향을 미칩니다. 나머지 빌드와 비교한 최상위 레이어의 차이는 종종 이 효과에 기인합니다. 템퍼링 효과가 발생하려면 레이어 사이의 냉각이 필요할 수 있으므로 과열은 주기적 재가열 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.

전반적으로 제작 작업 중 일관되지 않은 열 조건은 국부적인 미세 구조 변화와 그에 따른 기계적 특성의 변화를 초래할 수 있습니다. 이러한 변화는 테스트 샘플과 실제 부품을 비교할 때 예기치 않은 특성 편차를 초래할 수 있으며 이를 해결하기 위해 추가적인 열처리(예: 용액 처리) 단계가 필요할 수 있습니다.

Smart Fusion 통해 더욱 균일한 속성을 제공하는 EOS MaragingSteel MS1

이제 일반적인 PBF-LB/M 소재의 일반적인 미세 구조는 잘 알려져 있습니다. 예를 들어, 그림 6은 EOS MaragingSteel MS1(1.2709와 유사)의 출고 시 미세 구조의 일부 특징을 강조합니다.

에칭을 통해 용융 풀 경계가 명확한 물고기 비늘 모양의 용융 풀 패턴을 확인할 수 있습니다. 마르텐사이트 라스의 클러스터는 세부 이미지에서 볼 수 있습니다. MS1은 일반적으로 준공 상태의 마르텐사이트이며 잔류 오스테나이트의 부피 비율이 적습니다. SEM에서 더 높은 배율로 확대하면 세포 및 원주형 응고 구조가 보입니다.

그림 7은 Smart Fusion 있는 경우와 없는 경우의 열 축적 데모기의 미세 구조를 비교한 것입니다.

Smart Fusion 활성화하면 전체 샘플에 걸쳐 일관된 에칭 반응이 관찰됩니다. 반면, Smart Fusion 사용하지 않은 샘플의 경우 기존의 밝은 에칭 반응이 아닌 열 병목 현상 위에 어두운 에칭 영역이 나타납니다. 자세히 살펴보면 세포 응고 구조의 부분적인 분해가 관찰됩니다. 다크 에칭 영역에서는 경도가 상당히 높아져 최대 540 HV(평소보다 100 HV 이상 높은 수준)에 달했습니다. 이는 현장에서 상당한 침전이 일어나고 있음을 나타냅니다.

Smart Fusion 없이 과열된 파트의 말린 가장자리에 리코터가 접촉하는 것을 방지하기 위해 이 빌드 작업에서는 최소 40초의 노출 시간을 사용했습니다. Smart Fusion 활성화하면 대기 시간 없이도 부품을 제조할 수 있었습니다. 그림 8은 현미경 사진과 다양한 설정 간의 경도 프로파일 비교를 보여줍니다.

현미경 사진은 최소 레이어 시간 없이도 피드백 루프가 열 조건을 효과적으로 제어하고 고밀도의 부품을 생산할 수 있음을 보여줍니다. 또한 빌드 높이에 걸쳐 매우 일관된 경도를 얻을 수 있었습니다. 레이어 사이의 대기 시간이 짧아 후속 레이어에서 소재가 템퍼링될 때 발생할 수 있는 침전물이 형성되지 않았을 가능성이 높습니다.

결론

PBF-LB/M 공정 중 과열은 부품 형상과 레이어 시간에 따라 미세 구조에 상당한 변화를 초래합니다. Smart Fusion 가장 까다로운 조건에서도 일관된 열 프로파일을 보장합니다. 동적 방식으로 필요한 경우에만 에너지 투입을 줄임으로써 MS1 및 Ti6Al4V의 생산성 손실 없이 보다 균일한 특성을 얻을 수 있습니다.

연구 결과에 따르면 Smart Fusion 특히 다음과 관련이 있는 것으로 나타났습니다:

열 흐름이 제한된 복잡한 부품을 위한 더욱 일관된 마이크로 구조
최소 레이어 시간을 줄이거나 없앤 낮은 빌드 작업 부하를 위한 더욱 일관된 마이크로구조 구현
준공 시 미세 구조를 어느 정도 유지하는 열처리(예: 직접 에이징)
맞춤형 마이크로구조 및 속성 살펴보기

Smart Fusion 다른 재료의 미세 구조에 어떤 영향을 미치나요? 당사는 다양한 재료에 대한 Smart Fusion 성능에 대한 광범위한 테스트를 지속적으로 수행하고 있습니다. 주저하지 말고 문의해 주세요!

출처 및 추가 자료

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