새로운 인쇄 기술 (2) "3D 레이저 프린팅을 이용한 맞춤형 합금"

편집국 기자 / 기사승인 : 2021-04-04 09:19:21
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- 3D 레이저 프린팅의 단점을 이용해 강철 특성 변경
- 레이저의 스캐닝 속도와 레이저 광의 강도를 수정해 금속 분말 베드에서 개별 입자를 녹이는 방식으로 액체 용융 풀의 크기와 서비스 수명 변경

갓 인쇄된 자석

3D 프린팅을 통한 맞춤형 합금.

3D-프린팅은 오랫동안 생산 공정에서 널리 사용되는 기술이었으며 전자 및 하이테크 응용 분야를 위한 합금과 부품 제조에도 사용할 수 있다. Empa의 연구원들은 3D 레이저 프린팅의 단점을 이용해 이 분야에서 중요한 발전을 이루었다. 

▲ 철제 파일링은 가장자리 길이가 4mm 인이 미니 체스판에 부착된다. 부분적으로 자기 구조는 다른 온도에서 단일

유형의 강철 분말로 생성됐다.© Empa


3D 레이저 프린터에서 금속 가공을 하는 동안 2천5백도 이상의 온도가 밀리 초 이내에 도달하며, 이 시점에서 합금의 일부 구성 요소가 증발한다. Empa 연구원들은 이 문제에서 기회를 발견했으며, 이제 이 효과를 사용해 인쇄 과정에서 다른 특성을 가진 새로운 합금을 만들고 이를 마이크로미터 정확도로 3D로 인쇄된 금속 공작물에 포함시키고 있다.

마그네틱 체스판

혁신은 육안으로는 제대로 평가할 수 없다.
가장자리 길이가 4mm인 작은 금속 체스판이다. 얼핏 보면 광택이 나는 강철처럼 빛난다.
최소한의 색상 차이만 볼 수 있다. 작은 체스판에는 16개의 영역이 있고 8개는 조금 더 어둡게, 8개는 더 밝게 보인다.

눈에 띄지 않는 재료 샘플은 다음을 증명한다.
레이저 빔과 금속 분말을 사용한 3D 프린팅은 새로운 기하학적 모양을 만드는 데 적합할 뿐만 아니라 완전히 새로운 기능을 가진 새로운 재료를 생산하는 데에도 사용할 수 있다.
작은 체스판은 특히 명백한 예다. 8개의 표면은 자성이고 8개의 비자성이다.
전체 공작물은 단일 유형의 금속 분말로 3D 프린팅된다.
입사되는 레이저 광의 강도와 지속 시간만 다양했다.

민감한 스테인리스 스틸

시작점으로 Ariyan Arabi-Hashemi와 Christian Leinenbach가 이끄는 Empa 팀은 약 20 년전 뒤벤도르프(Dübendorf)에 있는 헴펠(Hempel) 특수 금속 회사에서 개발한 특별한 유형의 스테인리스강을 사용했다. 소위 P2000 강철에는 니켈이 포함되어 있지 않지만 약 1%의 질소가 포함돼 있다. P2000 강철은 알레르기를 일으키지 않으며 의료 목적에 적합하다.
특히 단단하여 기존 밀링이 어렵다.

안타깝게도 언뜻 보기에는 3D 레이저 프린팅의 기본 재료로 적합하지 않은 것 같다.
레이저 빔의 용융 영역에서 빠르게 매우 뜨거워진다. 따라서 일반적으로 포함된 질소의 대부분이 증발하고 P2000 강철은 그 특성을 변경한다.
Arabi-Hashemi와 Leinenbach는 이러한 단점을 이점으로 전환했다.
▲ 전자 현미경에서 P2000 강철 분말의 이미지. © Empa

녹을 때 수정

그들은 레이저의 스캐닝 속도와 레이저 광의 강도를 수정해 금속 분말 베드에서 개별 입자를 녹이는 방식으로 액체 용융 풀의 크기와 서비스 수명을 변경했다.
이것은 지름이 200㎛이고 깊이가 50㎛인 가장 작은 케이스에 있었고, 가장 큰 케이스는 너비가 350㎛이고 깊이가 200㎛였다.

큰 용융 풀(pool)은 합금에서 많은 질소를 증발시켜 응고 강철이 높은 비율의 자화 가능한 페라이트로 결정화되도록 한다. 그 결과 재료는 자성이 있다.
반면에 용융 풀이 가장 작으면 용융물이 훨씬 빠르게 응고되고 질소가 합금에 남아 있다.
그런 다음 강철은 주로 비자성 오스테나이트 형태로 결정화된다.

실험의 일환으로 연구원들은 밀리미터 크기의 작은 금속 샘플에서 질소 함량을 매우 정밀하게 결정하고, 국소 자화를 수 마이크로미터 이내로 측정한 후 오스테나이트와 페라이트 강의 부피 비율을 측정해야 했다. 이를 위해 Empa에서 사용할 수 있는 고도로 개발된 여러 분석 방법이 사용됐다.

맞춤 제작된 금속; 전기 모터 및 공동 레이저 인쇄.

언뜻 보기에 레이저 프린터의 마그네틱 체스판이 속임수처럼 보인다.
그러나 그 이면의 원칙은 곧 금속 생산 및 가공 방법론에 중요한 도구를 추가할 수 있다.
"3D 프린팅을 사용하면 국소적으로 2천5백도 이상의 온도에 쉽게 도달 할 수 있다"고
라이넨바흐(Leinenbach)는 말한다.
“이를 통해 우리는 합금의 다양한 성분(예 : 망간, 알루미늄, 아연, 탄소 등)을 특별히 증발시켜 화학적 조성을 국부적으로 변경할 수 있다.”

이 방법은 스테인리스강에 국한되지 않고 다른 많은 합금에도 유용 할 수 있다.
예를 들어 Leinenbach는 형상 기억 합금으로 알려진 니켈-티타늄 합금을 생각하고 있다.
합금이 지정된 모양을 "기억"하는 온도는 혼합물에서 니켈이 0.1% 더 많거나 적다는 것에 달려 있다. 3D 레이저 프린터의 도움으로 다른 온도에 국부적으로 반응하는 구성 요소를 만들 수 있다.
▲ 새로운 인쇄 기술의 테스트는 클린룸에서 이루어진다. © Empa

미래의 전기 모터를 위한 정밀한 구조

부품에서 마이크로미터 정밀도로 합금을 생산하는 능력은 새롭고 보다 효율적인 전기 모터를 제작할 때도 도움이 될 수 있다. 처음으로 자기장의 기하학적 구조를 더 잘 활용하기 위해 자기적으로 미세한 구조의 재료로 전기 모터의 고정자와 회전자를 만들 수 있다.

Empa가 약 9년 동안 축적해온 적층 제조 노하우는 레이저 출력, 용융 풀의 크기 및 재료 특성 간의 관계를 발견하는 데 결정적인 역할을 했다.
그 이후로 Christian Leinenbach 팀은 세계 최고의 작업 그룹 중 하나로서 3D 레이저 프린팅 프로세스와 관련된 재료 과학 문제에 전념해 왔다.
동시에 Empa 연구원들은 공정 모니터링, 특히 합금의 목표 수정에 중요한 크기와 서비스 수명을 측정하는 용융 풀을 측정하는 경험을 얻었다.[더사이언스플러스] "No Science, No Future"

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