Thermal and Melting Track Simulations of Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)

레이저 분말층 융합(L-PBF) 공정의 열 및 용융 트랙 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

문제 정의

• L-PBF 공정은 금속 분말층을 레이저로 용융 및 고화하여 적층 제조하는 기술로, 최종 제품의 밀도, 치수 정확도, 기계적 특성 등에 영향을 미침.
• 용융 풀의 형상과 온도 분포는 공정 변수(레이저 출력, 주사 속도 등)에 의해 결정되며, 이를 최적화하는 것이 중요함.

연구 목적

• Flow-3D(Flow-weld) 기반 CFD 시뮬레이션을 사용하여 공정 변수(레이저 출력, 주사 속도)가 온도장 및 용융 풀 형상에 미치는 영향을 분석.
• 단일 용융 트랙(single melting track)의 특성을 평가하여 L-PBF 공정의 품질 개선을 위한 기초 데이터 제공.

연구 방법

수치 모델링 및 시뮬레이션 설정

• 열 전달 모델: 전도, 대류, 복사를 포함한 열 전달 해석 수행.
• 유체 역학 모델: VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용하여 용융 풀의 형상 변화 추적.
• 공정 변수 설정:
  • 레이저 출력: 120W, 140W
  • 주사 속도: 0.4m/s, 0.6m/s, 0.8m/s
  • 레이저 빔 직경: 80µm
  • 적층 두께: 50µm
• 재료: AISI 420 마르텐사이트계 스테인리스강 분말(평균 입자 크기 20µm) 사용.

주요 결과

온도장 및 용융 풀 형상 변화

• 낮은 주사 속도에서는 넓은 열 분포 영역이 형성되며, 높은 주사 속도에서는 좁고 깊은 용융 풀이 형성됨.
• 주사 속도가 증가함에 따라 타원형(Ellipse) 용융 풀이 눈물방울(Tear-drop) 형태로 변화.

용융 트랙 특성 분석

• 레이저 출력 증가 및 주사 속도 감소 시 용융 풀의 폭과 깊이가 증가.
• 주사 속도가 0.4m/s에서 0.6m/s로 증가하면 용융 트랙 하부에 기공(void) 발생 가능성 증가.
• 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 높은 일치도를 보이며, 경미한 차이만 존재.

결론 및 향후 연구

결론

• Flow-3D 기반 시뮬레이션을 통해 L-PBF 공정의 용융 풀 형상 및 온도 분포를 효과적으로 예측 가능.
• 낮은 주사 속도에서 넓은 열 분포 및 깊은 용융 풀이 형성되며, 높은 주사 속도에서는 용융 풀이 좁아짐.
• 공정 변수 최적화를 통해 미세 기공 및 불완전 용융 문제를 방지할 수 있음.

향후 연구 방향

• 다양한 재료 및 공정 변수에 대한 추가 연구 진행.
• 다층 적층 공정에서의 열 누적 및 변형 분석.
• 실제 제조 환경에서의 실험적 검증 강화.

연구의 의의

이 연구는 L-PBF 공정에서 용융 풀 형상을 제어하기 위한 핵심 공정 변수를 도출하고, Flow-3D 기반 CFD 시뮬레이션의 유효성을 입증하였다. 향후 금속 적층 제조의 품질 개선 및 최적 설계에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

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