다중 감지 및 상관 분석을 사용한 레이저 분말층 융합을 위한 현장 용융 풀 측정

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13716(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

레이저 분말층 융합은 국소 증착 및 미세 구조 제어를 위한 유망 기술이지만 용융 풀 역학에 대한 이해가 부족하여 박리 및 다공성과 같은 결함이 있습니다. 용융 풀의 기본적인 동작을 연구하려면 높은 공간적, 시간적 해상도를 갖춘 기하학적 및 열 감지가 모두 필요합니다. 이 작업은 싱크로트론 X선 이미징, 고속 IR 카메라 및 고공간 해상도 IR 카메라의 세 가지 고급 감지 기술을 적용하고 통합하여 Ti의 용융 풀 모양, 열쇠 구멍, 증기 기둥 및 열 진화의 진화를 특성화합니다. –6Al–4V 및 410 스테인리스강 점용융 케이스. 감지 기능을 제시하는 것 외에도 이 논문에서는 용융 풀의 기하학적 구조를 정확하게 식별하기 위한 고속 X선 이미징 데이터에 대한 효과적인 알고리즘을 개발합니다. 방사율 값을 추정하고 포화된 픽셀을 추정하기 위해 IR 데이터에 대한 전처리 방법도 구현됩니다. 경계 속도, 용융 풀 치수, 열 구배 및 냉각 속도에 대한 정량화가 수행되어 미래의 포괄적인 용융 풀 역학 및 미세 구조 분석이 가능해집니다. 이 연구는 열화상 데이터와 X선 데이터 사이의 강한 상관관계를 발견하여 현재 값비싼 싱크로트론 X선 영상을 통해서만 캡처할 수 있는 특징을 예측하기 위해 상대적으로 저렴한 IR 카메라를 사용할 수 있는 가능성을 보여줍니다. 이러한 상관관계는 향후 열 기반 용융 풀 제어 및 모델 검증에 사용될 수 있습니다.

L-PBF(레이저 분말층 융합)는 인기 있는 금속 적층 가공(AM) 방법(금속 3D 프린팅이라고도 함)입니다1,2,3,4. 레이저 빔을 사용하여 기판 표면에 얇은 분말을 반복적으로 녹여 부품을 형성합니다. L-PBF는 층별 및 위치별 증착 방식으로 인해 기존 제조 방법으로는 불가능한 복잡한 형상을 생성할 수 있습니다. 또한, L-PBF에서는 현장별 인쇄 매개변수5를 할당하여 현장별 재료 특성 제어를 달성할 수 있습니다. 위의 장점을 고려할 때 L-PBF는 이미 의료, 항공우주, 국방 등 많은 산업에서 사용되고 있습니다6,7.

그러나 L-PBF는 여전히 큰 잔류 응력, 변형, 박리 및 다공성 문제를 겪고 있습니다8,9,10. 비평형 조건에서 용융 및 응고 과정에 대한 이해 부족은 고품질 증착을 달성하는 데 주요 장벽입니다. 국부적인 미세 구조 제어를 가능하게 하고 결함 형성을 최소화하려면 용융 풀과 키홀 진화를 잘 연구해야 합니다13. 보다 구체적으로 말하면 열 구배와 고체-액체 경계 속도의 측정이 필요합니다.

용융 풀은 이동성 고체-액체 경계로 둘러싸인 액상 물질입니다. 3D 프린팅 부품의 재료 특성은 응고 과정 중 열 구배와 액체-고체 경계 속도로 인해 발생하는 미세 구조에 의해 결정됩니다. 열쇠 구멍은 과열, 기화 및 그에 따른 증기 반동 압력으로 인해 발생하는 용융 풀 중앙의 증기 감소 구역입니다. 열쇠 구멍 심각도는 용융 및 응고 과정에서 갇힌 가스 다공성 수준과 중요한 관련이 있습니다15,16. 융합 부족 및 열간 균열로 인해 추가적인 다공성이 발생할 수 있지만 이러한 문제는 일반적으로 허용할 수 없는 것으로 간주되는 훨씬 더 큰 규모입니다. 따라서 이 문서에서는 다루지 않습니다.

이 작업은 주로 단일 지점 용융 및 응고에 중점을 둡니다. 이 방법은 기존 라인 스캐닝에 적용하는 데 제한이 있지만 무작위 점용융과 유사한 용융 풀 조건을 제공합니다. 스폿 용융 전략은 최근(많이 인용되는) 문헌17,18,19,20,21에서 알 수 있듯이 금속 AM에서 점점 인기를 얻고 있는 새로운 방법이기 때문에 이 백서에서 선택되었습니다. 또한, 모델링 노력을 검증하기 위한 플랫폼을 구축하려면 단일 점용해에 대한 포괄적인 이해가 필수적이며, 이는 더 복잡한 문제로 확장될 수 있습니다. Dehoff et al.17의 실험 작업에서는 스폿 용융 전략을 사용하면 원주형에서 등축형까지 미세 구조 형태를 효과적으로 조작할 수 있음이 입증되었습니다.