학문
금속 적층제조 과정에서 잔류응력은 어떻게 발생하나요?
금속 분말은 층층이 녹여 부품을 제작하는 과정에서는 국부적인 가열과 냉각이 반복되는데, 온도 구배와 재료의 수축이 제품 내부의 잔류응력과 변형에 어떤 영향을 주는지 의견부탁드립니다.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
금속 적층제조에서는 레이저나 전자빔으로 아주 작은 영역을 급격하게 가열했다가 빠르게 식히는 과정이 반복되면서 큰 온도 차이가 생깁니다.
뜨거워진 부분은 팽창하려 하지만 주변의 차가운 재료가 이를 막고, 식으면서 다시 수축하려 해 내부에 응력이 남게 됩니다. 이 잔류응력이 크면 제작 중 부품이 휘거나 뒤틀리고, 심한 경우 균열이나 기판에서 들뜨는 현상도 생길 수 있습니다.
특히 두꺼운 형상이나 급격한 단면 변화, 높은 에너지 입력, 불균일한 스캔 경로에서는 온도 구배가 커져 잔류응력이 증가하기 쉬워집니다.
그래서 예열, 적절한 스캔 전력, 지지대 설계, 후열처리 등을 이용해 온도 차이와 잔류응력을 줄이는 것이 매우 중요합니다.
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채택된 답변안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
레이저가 맨 위층을 녹이는 순간 그 부분은 1000도 넘게 오르지만, 바로 아래 이미 굳은 층은 훨씬 차가워요. 뜨거워진 윗부분은 늘어나려 해도 아래층이 붙잡고 있어 못 늘어나고, 눌린 채로 소성 변형이 일어나요. 이어서 빠르게 식으며 줄어들려 할 때도 아래층이 붙잡으니, 새로 쌓은 층에는 당기는 응력이, 그 아래에는 누르는 응력이 남아요.
이 과정이 수천 층에 걸쳐 반복되며 응력이 쌓여 항복강도에 가까워지기도 해요. 부품이 빌드 플레이트에 붙어 있을 때는 버티지만 떼어내는 순간 응력이 풀리며 가장자리가 위로 휘어 올라가요. 두꺼운 부분과 얇은 부분이 섞이면 식는 속도가 달라 뒤틀림이 커지고, 심하면 층 사이가 벌어지거나 금이 가요.
그래서 빌드 플레이트를 미리 데워 위아래 온도 차를 줄이고, 레이저 경로를 작은 구역으로 나눠 층마다 방향을 돌려 가며 녹여요. 서포트로 부품을 단단히 잡아 두고, 플레이트에서 떼기 전에 응력 제거 열처리를 먼저 해서 변형을 막아요 :)
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
금속 적층제조 과정에서 잔류응력은 고에너지 레이저나 전자빔이 미세한 분말 영역을 초고속으로 국부 용융하고 급냉시키는 과정에서 발생하는 극심한 온도 구배로 인해 야기됩니다. 용융된 고온의 금속은 주변의 차가운 고상 영역에 단단히 구속된 상태에서 급격한 열팽창과 냉각 수축을 겪게 되는데, 이때 주변 구조물의 제약으로 인해 자유로운 수축이 방해받으면서 소성 변형이 누적됩니다. 특히 새로 적층된 상부 레이어는 냉각되면서 당겨지는 인장 응력을 받고 하부와 기판 계면은 그 반작용으로 압축 응력을 받게 되어 부품 전체에 심각한 응력 불균형을 초래합니다. 이러한 층별 열적 수축 편차는 결국 부품의 뒤틀림이나 층간 박리 크랙 등 기계적 결함을 유발하는 주원인이 됩니다. 따라서 고유의 온도 구배를 제어하기 위한 기판 예열 레이저 스캔 경로 최적화 그리고 제조 후 열처리 공정이 필수적으로 동반되어야 합니다