공정 중 금속 내에서 어떤 일이 일어나는지에 대한 이해의 차이로 인해 결과가 일관되지 않게 되었습니다. 그러나 두 개의 서로 다른 입자 가속기 시설을 사용하여 미국 국립 표준 연구소(National Institute of Standards)와 Technology NIST(NIST)와 스웨덴 KTH 왕립공과대학(KTH Royal Institute of Technology) 등 기관들은 3D 프린팅 과정에서 강철이 녹았다가 굳어지는 과정을 내부 구조로 관찰했다.
에 발표 된 연구 결과, 액타 물질, 3D 프린팅 전문가를 위한 계산 도구의 잠금을 해제하여 프린팅된 부품의 특성을 예측하고 제어할 수 있는 더 큰 능력을 제공하여 잠재적으로 대규모 제조를 위한 기술의 일관성과 실행 가능성을 향상시킵니다.
금속 조각을 프린팅하기 위한 일반적인 접근 방식은 본질적으로 분말 금속 풀을 레이저로 층별로 용접하여 원하는 모양으로 만드는 것입니다.
재료가 빠르게 가열되고 냉각되는 금속 합금으로 인쇄하는 첫 번째 단계에서 원자(다른 원소가 흩어져 있을 수 있음)가 규칙적인 결정 구조로 채워집니다.
결정은 인쇄된 부품의 인성 및 내식성과 같은 특성을 결정합니다. 서로 다른 결정 구조가 나타날 수 있으며 각각 장단점이 있습니다.
"기본적으로 인쇄 공정의 초기 단계에서 미세 구조를 제어할 수 있다면 원하는 결정을 얻을 수 있고 궁극적으로 부가적으로 제조된 부품의 성능을 결정할 수 있습니다."라고 연구 공동 저자인 NIST 물리학자 Fan Zhang은 말했습니다.
인쇄 공정은 재료 낭비가 적고 전통적인 제조 방법보다 더 복잡한 모양을 만드는 데 사용할 수 있지만 연구자들은 금속을 다른 결정보다 특정 종류의 결정으로 조종하는 방법을 파악하기 위해 고군분투했습니다.
이러한 지식 부족으로 인해 결정 구조로 인해 복잡한 모양의 부품이 조기에 균열되는 등 바람직하지 않은 결과가 발생했습니다.
"일반적으로 제조되는 수천 가지 합금 중에서 적층 가공을 사용하여 만들 수 있는 것은 소수에 불과합니다."라고 Zhang은 말했습니다.
레이저 분말층 융합형 3D 프린터가 작동 중입니다. 레이저 분말-베드 융합은 금속 분말의 연속적인 층을 추가한 다음 레이저를 사용하여 생성되는 부품의 제자리에 각 층을 녹입니다.
과학자들이 당면한 과제 중 하나는 금속 3D 프린팅 중 응고가 눈 깜짝할 사이에 발생한다는 것입니다.
고속 현상을 포착하기 위해 새로운 연구의 저자는 Argonne National Laboratory의 Advanced Photon Source와 Paul Scherrer Institute의 Swiss Light Source에서 싱크로트론이라고 불리는 순환 입자 가속기에 의해 생성된 강력한 X선을 사용했습니다.
연구팀은 레이저 출력과 이동 설정으로 제어할 수 있는 금속의 냉각 속도가 결정 구조에 어떤 영향을 미치는지 알아보려고 했습니다. 그런 다음 연구원들은 합금의 응고를 설명하는 80년대에 개발된 널리 사용되는 계산 모델의 예측과 데이터를 비교할 것입니다.
이 모델은 전통적인 제조 공정에서 신뢰할 수 있지만 배심원단은 3D 프린팅의 급격한 온도 변화라는 고유한 맥락에서의 적용 가능성에 대해 의견을 피력했습니다.
"싱크로트론 실험은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들기 때문에 관심 있는 모든 조건에 대해 실행할 수는 없습니다. 하지만 흥미로운 조건을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있는 모델을 검증하는 데 매우 유용합니다."라고 연구 공동 저자인 Greta가 말했습니다. KTH Royal Institute of Technology의 재료 과학 및 공학 부교수 Lindwall.
싱크로트론 내에서 저자는 이름에서 알 수 있듯이 고온을 견딜 수 있는 도구를 만드는 데 사용되는 금속의 일종인 열간 공구강에 대한 적층 제조 조건을 설정했습니다.
레이저가 금속을 액화시키고 다양한 결정이 나타나자 X선 빔은 덧없는 과정의 이미지를 생성하기에 충분한 에너지와 속도로 샘플을 조사했습니다. 팀원들은 초당 수만 켈빈에서 백만 켈빈 이상의 온도 범위에서 테스트하려는 냉각 속도를 지원하기 위해 두 개의 별도 시설이 필요했습니다.
연구원들이 수집한 데이터는 두 종류의 결정 구조인 오스테나이트와 델타 페라이트 사이의 밀고 당기는 것을 묘사했으며 후자는 인쇄된 부품의 균열과 관련이 있습니다. 냉각 속도가 초당 1.5만 켈빈(2.7만 화씨)을 초과함에 따라 오스테나이트가 경쟁자를 지배하기 시작했습니다. 이 중요한 임계값은 모델이 예측한 것과 일치합니다.
“모델과 실험 데이터는 잘 일치합니다. 결과를 보았을 때 정말 기뻤습니다.”라고 Zhang은 말했습니다.
이 모델은 오랫동안 전통적인 제조 분야에서 재료 설계를 위한 신뢰할 수 있는 도구였으며 이제 3D 프린팅 공간도 동일한 지원을 받을 수 있습니다.
결과는 모델이 인쇄 공정의 초기 응고 단계에 대해 선택할 냉각 속도에 대해 과학자와 엔지니어에게 알릴 수 있음을 나타냅니다. 그런 식으로 최적의 결정 구조가 원하는 재료 내에 나타나 금속 3D 프린팅을 주사위 굴림이 덜하게 만듭니다.
“데이터가 있으면 이를 사용하여 모델을 검증할 수 있습니다. 이것이 산업용 적층 제조의 광범위한 채택을 가속화하는 방법입니다.”라고 Zhang은 말했습니다.