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[기술특집]금속 3D프린트의 금형강 응력해석 기술

입력 : 2020.01.14 14:29

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[첨단 헬로티]

 

 

아라이에 이치로 (新家 一朗), 오카자키 슈지 (岡﨑 秀二), 마츠모토 이타루 (松本 格)   ㈜소딕


1. 서론

 

플라스틱 금형의 제작에는 냉각배관을 내부에 창성할 수 있는 파우더 베드 방식의 금속 3D 프린터가 효과적이고, 성형 시간이 53%, 변형량이 46% 개선됐다는 보고 등이 있듯이 앞으로도 크게 보급되어 갈 것으로 기대된다.

 

그러나 성형 시에 발생하는 잔류응력에 의한 균열이나 변형 등의 문제가 있으며, 복잡한 형상이나 큰 조형물을 제작하는 것이 곤란하다.


한편, 금속이 팽창하는 현상으로서 마르텐사이크 변태가 있다. 강재는 고온에서는 오스테나이트인데, 급냉에 의해 마르텐사이트로 변태한다. 이 때에 탄소의 고용에 의해 팽창하는 것이 알려져 있다.


이 글에서는 금속 3D 프린터에서 플라스틱 성형 금형재로서 일반적으로 사용되고 있는 스테인리스강 SUS420J2의 분말을 이용, 용융 재응고 시의 수축에 의해 발생하는 인장응력을 마르텐사이트 변태에 의한 팽창에 의해 없앰으로써 응력을 억제하는 방법에 대해 조사했다.


그 결과, 균열을 방지하고 변형이 적은 고정도의 조형물을 제작할 수 있다는 것을 확인했다.


2. SUS420J2 조형물의 균열과 변형


그림 1에 금속 3D 프린터로 제작한 SUS420J2 조형물의 균열‧변형 사진을 나타냈다. (a)는 조형 중에 발생한 균열로, 균열된 부분을 EWD로 절단해 관찰했다. 응력이 집중하는 홈부에서 균열이 진행하고 있는 것을 알 수 있다.

 


(b)는 상온 환경에서 보관 1주일 후에 발생한 균열이다. (c)는 치수 230×150mm, 판두께 12.5mm, 재질 S50C의 베이스 플레이트가, 높이 25mm의 조형에 의해 발생한 2.2mm의 변형(휨)이다.


이상과 같이 금속 3D 프린터에 의한 균열이나 변형은 조형 중, 조형 완료 후의 보관 상태, 혹은 2차 가공 중에 발생하고, X/Y 치수가 큰 것, 형상이 복잡한 것일수록 균열될 가능성이 높고 변형량도 크다.


3. 잔류응력 발생 과정의 고찰


그림 2에 파우더 베드 반식 금속 3D 프린터의 조형 진행 과정을 나타냈다. 이하 각 과정에 대해 설명한다.

 


STEP 1 : 조형 테이블에 장착한 베이스 플레이트 상에 금속 분말을 공급한다.


STEP 2 : 공급된 금속 분말 중 필요한 부분에 레이저광을 조사함으로써 온도가 융점 이상이 되어 용융한다.


STEP 3 : 용융한 금속 분말은 주로 하부의 베이스(베이스 플레이트 혹은 이미 적층되어 있는 조형물)에 그 열을 빼앗기고, 이 때의 온도 저하 과정에서 융점 부근에서 개체가 되어 어닐링 온도까지 저하한다.


STEP 4 : 이후에도 계속 열을 빼앗겨 베이스 온도까지 저하하고, 이 온도 차이에 의한 수축이 발생한다. 그러나 이 금속 분말의 조형물은 하부 베이스에 밀착하고 있기 때문에 수축할 수 없다. 그렇기 때문에 이 치수 차분은 조형부에 인장응력으로서 잔류한다.


금속의 기본적인 성질인 ‘온도 저하에 의한 수축’이 잔류응력을 발생시키는 주된 원인으로, 이와 같은 인장응력이 균열을 발생시키고 베이스 플레이트를 크게 휘게 하고 있다고 생각된다.


4. 잔류응력 해방 기술의 검토


강재에서 잔류응력을 완화하는 일반적인 방법은 어닐링인데, 고온이기 때문에 설계나 운용이 곤란한 장치가 된다. 이에 시점을 바꿔 수축한 만큼을 다시 팽창시킴으로써 잔류응력을 억제하는 방법에 대해 검토했다.


강재의 팽창 현상으로서 마르텐사이트 변태가 있다. 강의 마르텐사이트 변태에서는 담금질 시의 급냉 과정에서 조직이 면심입방정의 오스테나이트에서 체심정방정의 마르텐사이트로 변태, 이 때에 결정 구조의 한 방향 축의 Fe 원자 사이에 탄소가 들어감으로써 탄소량에 비례하는 팽창이 발생한다.

 


그림 3은 마르텐사이트 변태의 이미지이다. 마르텐사이트 변태에는 히스테리시스가 있으므로 ①점으로 조형을 하고, 그 때의 수축량과 균형을 이루는 팽창량인 ②점까지 냉각함으로써 조형 시에 발생한 인장응력을 해방할 수 있는 가능성이 있다.


구체적으로는 마르텐사이트 변태가 진행하는 온도 이상(Mf점 이상)의 ①점에서 조형을 하며, 베이스 상에 조형물이 수축되지 않고 인장응력이 되어 있는 상태에서 온도를 강하시켜 마르텐사이트 변태에 의한 팽창 영역을 통과시킨다.


이 때 베이스부는 열팽창계수만큼 수축하는데, 조형물은 팽창하므로 일정 온도 ②점에서 균형을 이룬다. 다음으로 온도를 상승시키면 베이스부도 조형물도 열팽창계수에 따라 팽창한다. 그 후 다시 어떤 적절한 일정 온도 ①점으로서 조형을 한다. 이상의 반복에 의해 인장응력을 완화하면서 조형할 수 있는 가능성이 있다.


5. 조형 시험 결과


그림 4에 조형 시험의 결과를 나타냈다. (a)는 균열성을 시험한 결과로, 상온 조형에서는 폭 20mm, 높이 50mm의 조형물 하부에 제작한 응력 집중부에 균열이 발생했는데, 응력 해방 기술에서는 폭 240mm, 높이 100mm에서도 균열은 발생하지 않았다.

 


(b)는 지금까지 불가능했던 사이즈의 전동공구의 하이브리드 조형을 한 결과로, 1mm 피치의 각 냉각 후에 절삭가공으로 다듬질했다. 사이즈는 최대급인 248×248mm이고, 절삭 다듬질을 하기 위해 IN 코너 R이 작고 응력이 집중하기 쉬운 형상인데, 균열의 발생 없이 조형되는 것을 확인할 수 있었다.


(c)는 동 형상의 금형을 냉각 피치 5mm로 단순 조형한 것으로, 이것도 균열의 발생 없이 조형할 수 있다는 것을 확인했다.


6. 맺음말


이번 연구에서는 플라스틱 금형에 이용하는 SUS420J2의 금속 분말에서 조형 시에 발생하는 잔류응력을 마르텐사이트 변태를 이용해 해방하는 방법에 대해 검토했다. 이하에 얻은 결과를 나타냈다.


① 마르텐사이트계 스테인리스 SUS420J2의 분말에서 적절한 조형 테이블 온도, 적절한 냉각 피치와 온도에 의해 마르텐사이트 변태에 의한 팽창으로 조형 시에 발생하는 인장응력을 완화하는 방법이 효과적이라는 것을 확인했다.

 

② 이 방법에 의해 SUS420J2의 금속 분말로 조형 불가능했던 형상·크기의 조형이 가능하다는 것을 확인했다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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