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표제지

요약

목차

Ⅰ. 서론 12

Ⅱ. 이론적 고찰 14

2.1. 금속 3D 프린팅의 의의 15

2.2. 금속 3D 프린팅 프로세스 18

2.2.1. 모델링(DfAM) 19

2.2.2. 적층공정해석 21

2.2.3. 장비 파라미터 최적화 23

2.2.4. 적층제조 25

2.2.5. 후처리 / 후가공 26

2.3. 금속 3D 프린팅의 종류 28

2.3.1. Direct Energy Deposition 29

2.3.2. Binder Jet 31

2.3.3. Selective Laser Melting 33

2.4. SLM 공정의 결함 35

2.5. SLM 공정의 장단점 37

2.6. SLM 공정 알루미늄 소재의 잔류응력 완화 방법 38

2.7. SLM 공정 알루미늄 소재의 연구 동향 및 한계 40

Ⅲ. 실험 장치 및 실험 방법 43

3.1. SLM 연구 프로세스 구성 43

3.2. 파우더 특성 평가 44

3.2.1. 파우더 형태 분석 44

3.2.2. 파우더 크기 분포 분석 44

3.3. 공정 프로세스 및 후처리 프로세스 45

3.3.1. SLM 공정 프로세스 45

3.3.2. 열처리 프로세스 46

3.4. 분석 장치 및 방법 48

3.4.1. 밀도 48

3.4.2. 미세조직 49

3.4.3. 상분율 분석 51

3.4.4. 인장 특성 평가 52

3.4.5. 경도 평가 53

3.4.6. 잔류응력 평가 54

3.4.7. 전기적 특성 평가 55

Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 56

4.1. 저온 열처리 연구 56

4.1.1. 알루미늄 금속 파우더 56

4.1.2. 공정 파라미터 및 융융풀 크기 58

4.1.3. 밀도 61

4.1.4. 미세조직 62

4.1.5. 기계적 특성 73

4.1.6. 전기적 특성 79

4.1.7. 소결론 80

4.2. 저온 열처리 조건 최적화 연구 81

4.2.1. 알루미늄 금속 파우더 82

4.2.2. 밀도 83

4.2.3. 미세조직 84

4.2.4. 기계적 특성 91

4.2.5. 전기적 특성 97

4.2.6. 소결론 98

Ⅴ. 결론 99

참고문헌 100

Abstract 111

표목차

Table 4.1. Machine parameter and melt pool size 59

Table 4.2. Analysis Result of the Al and Si Phase Ratio through the XRD Analysis 64

Table 4.3. Tensile test results of AlSi7Mg and AlSi10Mg 74

Table 4.4. Analysis Results of the Al and Si Phase Ratio through the XRD 86

Table 4.5. Residual stress change raw data of AlSi7Mg and AlSi10Mg by heat treatment conditions 96

그림목차

Fig. 2.1. Characteristics of metal 3D printing (design of unprocessable shapes and integrated design of assembly parts) 17

Fig. 2.2. Characteristics of metal 3D printing: (a) Dynamic stiffness performance when weight reduction is implemented with existing... 17

Fig. 2.3. Total process from metal 3D printing design to fabrication 18

Fig. 2.4. Metal 3D Printing Modeling Process 20

Fig. 2.5. Lattice structure design for 3D printing method 20

Fig. 2.6. Example of optimized layout structure and support design completion model 22

Fig. 2.7. Example of deformation prediction through simulation based additive process analysis 22

Fig. 2.8. Example of optimal machine parameter area search using additive simulation 24

Fig. 2.9. Example of melt pool verification through bead testing for machine parameter optimization 24

Fig. 2.10. Metal 3D Printing Process & post processing, (a) total process of metal 3d printing fabrication processing, (b) types of metal 3d printing post processing 27

Fig. 2.11. Types of metal powder-based 3D printing methods 28

Fig. 2.12. Cases of use of the DED method: (a) repair of large metal structures using DED, (b) aerospace rocket nozzles manufactured using the... 30

Fig. 2.13. The schematic of Binder Jet 32

Fig. 2.14. The schematic of Selective Laser Melting method [68], (a) the diagram of SLM-type metal 3D printing device, (b) Illustration of the powder... 34

Fig. 2.15. Defects due to interaction of powder and laser, (a) Schematic overview of the interaction zone between laser radiation and powder bed, (b)... 36

Fig. 2.16. Schematic diagram of residual stress generation mechanism: (a) heating condition, (b) cooling condition 39

Fig. 2.17. Aluminum alloy research trends: (a) electrical properties of SLM-type AlSi7Mg and AlSi10Mg materials according to Si composition... 42

Fig. 3.1. Establishing an overall process for SLM research 43

Fig. 3.2. SLM process equipment used in the study (GE Additive, M2) 45

Fig. 3.3. Heat treatment process: (a) heat treatment equipment, (b) heat treatment temperature profile 47

Fig. 3.4. Nano-CT image(Zeiss, XradiaUltra/Versa hybrid systems) 48

Fig. 3.5. Optical microscope image (Keyence, VHX-5000) 50

Fig. 3.6. Scanning electron microscope image(FEI, Quanta FEG-250) 50

Fig. 3.7. X-ray diffraction image(Panalytical, Empyrean) 51

Fig. 3.8. Tensile test equipment(Instron, INSTRON5270) 52

Fig. 3.9. Vickers hardness test equipment(Mitutoyo, HM-200) 53

Fig. 3.10. Residual stress test equipment(stresstech, Xstress3000) 54

Fig. 3.11. Electrical conductivity test equepment(Fisher, SMP-350) 55

Fig. 4.1. Powder shape and particle size distribution: (a) AlSi7Mg powder, (b) AlSi10Mg powder 57

Fig. 4.2. Melt Pool Width, Depth analysis results Image: (a) AlSi10Mg Melt Pool, (b) AlSi7Mg Melt Pool 60

Fig. 4.3. Results of the Nano-CT analysis of the samples: (a) as-built AlSi7Mg, (b) as-built AlSi10Mg, (c) AlSi7Mg after the heat treatment, and (d) AlSi10Mg... 61

Fig. 4.4. (a) XRD patterns of AlSi7Mg and AlSi10Mg before and after the heat treatment, (b) magnified area of the XRD pattern in the dotted box shown... 63

Fig. 4.5. Interplanar distance change according to heat treatment 65

Fig. 4.6. Optical images of the microstructures of the samples: (a) as-built AlSi7Mg, (b) as-built AlSi10Mg, (c) AlSi7Mg after the heat treatment, and (d)... 66

Fig. 4.7. Representative SEM images of the microstructures: (a) as-built AlSi7Mg, (c) as-built AlSi10Mg, (e) AlSi7Mg after the heat treatment, and (g)... 68

Fig. 4.8. IPF maps of the AlSi7Mg and AlSi10Mg samples: As-built samples (a, b), and after the heat treatment (c, d). 69

Fig. 4.9. Lattice distortion analysis using KAM map: As-built samples (a, c), and after the heat treatment (b, d) 71

Fig. 4.10. KAM map: misorientation angle distribution 72

Fig. 4.11. Strain-stress curve of the mechanical tensile properties after heat treatment 75

Fig. 4.12. Ultimate tensile strength, yield strength and elongation of the samples of the mechanical tensile properties after the heat treatment 76

Fig. 4.13. Vickers hardness of the samples before and after the heat treatment 77

Fig. 4.14. Changes in the residual stress behavior before and after the heat treatment 78

Fig. 4.15. Changes in the electrical conductivity before and after the heat treatment 79

Fig. 4.16. Powder shape and particle size distribution: (a) AlSi10Mg powder, and (b) AlSi7Mg powder 82

Fig. 4.17. Results of the Nano-CT analysis of the samples: (a) as-built AlSi7Mg, (b) as-built AlSi10Mg, (c) AlSi7Mg SR 190, (d) AlSi10Mg SR 190, (e)... 83

Fig. 4.18. Phase analysis by XRD patterns results: (a) AlSi7Mg, (b)AlSi10Mg 85

Fig. 4.19. Optical images of the microstructures of the samples: (a) as-built AlSi7Mg, (b) as-built AlSi10Mg, (c) AlSi7Mg SR 190, (d) AlSi10Mg SR 190, (e)... 87

Fig. 4.20. FE-SEM images of the microstructures: (a) as-built AlSi7Mg, (b) as-built AlSi10Mg, (c) AlSi7Mg SR 190, (d) AlSi10Mg SR 190, (e) AlSi7Mg SR... 89

Fig. 4.21. EBSD-IPF map images of the microstructures: (a) as-built AlSi7Mg, (b) as-built AlSi10Mg, (c) AlSi7Mg SR 190, (d) AlSi10Mg SR 190, (e) AlSi7Mg... 90

Fig. 4.22. The material properties of ultimate tensile strength, yield strength, elongation and electrical conductivity after heat treatment split: (a) AlSi7Mg,... 92

Fig. 4.23. Vickers hardness behavior according to heat treatment: (a) AlSi7Mg, (b) AlSi10Mg 93

Fig. 4.24. Residual stress change of AlSi7Mg and AlSi10Mg by heat treatment conditions 95

Fig. 4.25. Changes in the electrical conductivity before and after the heat treatment split 97

초록보기

 금속 3D 프린팅 기술중의 하나인 선택적 레이저 용융(SLM) 방식은 기존의 가공 방식으로는 제작할 수 없었던 3차원 구조물을 제작할 수 있어 4차 산업혁명의 각광받는 차세대 제조 기술로 그 자리를 매김하고 있다. 그중 항공, 방산, 자동차 등의 부품 경량화에 가장 효율적인 알루미늄 소재가 각광받고 있다. 현재 알루미늄 소재로 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg를 포함하는 알루미늄-실리콘(Al-Si) 기반 합금 재료가 널리 사용되고 있다. 그러나 경량화의 큰 장점이 있는 반면에 급속 냉각으로 인한 잔류응력은 부품의 기계적 강도, 치수 정확도 및 피로와 같은 신뢰성에 영향을 미치는 중요한 문제 중 하나이다.

본 연구에서는 잔류응력을 해소하기 위한 방안으로 저온 열처리 연구를 수행하였다.

첫 번째 연구로, 280 ℃의 저온 열처리를 통한 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg 합금의 잔류응력 평가 및 미세구조, 기계적 특성, 전기적 특성을 평가하였다.

두 번째 연구는 첫 번째 연구 결과를 토대로 산업군 어플리케이션에 따른 온도별 열처리 조건을 최적화 하기 위하여 180 ℃ ~ 280 ℃의 열처리 조건별 특성을 연구하였다.

열처리 후 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg 재료의 미세구조, 잔류응력 및 기계적 성질과 전기적 특성의 변화를 체계적으로 조사하였다. 열처리 후 실리콘(Si) 네트워크 구조와 알루미늄 매트릭스에 용해된 Si는 완전히 석출되어 독립적인 미세 구형 석출물로 존재하였다. AlSi7Mg 재료는 Si의 낮은 체적 분율로 인해 고용체 경화 효과가 약하여 AlSi10Mg 재료보다 인장 강도, 경도 및 연신율이 더 낮았다. 열처리 온도가 증가할수록 두 재료의 기계적 강도가 감소하고 연신율이 증가하는 현상을 확인하였다. 이때 190 ℃의 열처리 조건에서 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg 재료 모두 항복강도가 가장 높은 것을 확인할 수 있었다. 한편, 알루미늄 매트릭스에 석출된 Si가 불순물로 작용하여 열처리 후 재료의 전기전도도가 향상되었다. Al-Si 합금의 전기 전도도 및 기계적 특성은 재료의 Si 함량에 따라 달라지는 것을 확인하였다. 따라서 저온 열처리를 통한 재료의 적절한 Si 함량을 최적화하여 전기적 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있었다.

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