이종 표면의 레이저 분말층 융합 적층 제조의 스패터링 메커니즘

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20384(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

레이저 분말 적층 가공(PBF-LB)은 고정밀, 완전 밀도 부품을 생산할 수 있는 적층 제조 방법입니다. 그러나 내부 결함이 없는 비파괴적인 품질 보증은 여전히 ​​어려운 과제로 남아 있습니다. 내부 결함을 완화하려면 결함 형성 메커니즘을 규명하고 PBF-LB 공정 조건을 개선해야 합니다. 따라서 우리는 프린지 투영에 의한 표면 형태 측정과 열장 측정을 고속 카메라와 결합한 현장 모니터링 시스템을 개발했습니다. 실제 다중 트랙 PBF-LB 공정의 이질적인 표면에서 제작된 부품 표면의 거칠기 지수는 레이저 스캐닝과 대기 가스 흐름 사이의 각도 변화와 일치하여 주기적으로 변경되었습니다. 고속 카메라 모니터링 결과 용융 풀은 비대칭이고 스핀들 모양이며 스패터는 주로 용융 풀의 건설 부분에서 방출되는 것으로 나타났습니다. 또한, 분말층 아래에 ​​내장된 부품 표면 형태가 용융 풀의 안정성에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 결과적으로, 이질적인 표면에 대한 용융 풀과 스패터링의 그래픽 표현이 제안되었습니다. 스패터링과 내부 결함이 없는 공정 창을 이론적으로 추정하는 것은 여전히 ​​어렵지만 현장 모니터링 장비는 스패터링과 내부 결함 형성을 설명하는 지식을 제공할 것입니다.

레이저 분말층 융합(PBF-LB) 적층 제조는 항공우주1,2 및 의료 산업3,4에 널리 적용됩니다. 그러나 PBF-LB 공정은 내부 미세 결함으로 인한 제품 품질 저하 및 안정적인 제품 생산 보장과 관련해 여러 가지 한계점을 안고 있다. PBF-LB 공정은 레이저를 조사한 파우더 베드를 컴파일하여 3D 모델을 생성합니다. 파우더 베드는 파우더를 재코팅하여 형성된 파우더 층을 말하며, 레이저를 조사하여 파우더 층을 녹여 3차원 모델의 2차원 단면을 생성합니다. PBF-LB는 분말 특성5,6, 분말 재코팅 및 건축 공정7,8측면에서 다양한 매개변수의 제어가 필요합니다. 보다 정확하게는 분말 재코팅 조건과 분말 입자 크기 분포, 분말 흐름성을 포함한 분말 특성이 분말층 특성, 즉 분말층 두께의 균일성, 분말층 밀도, 표면 거칠기에 영향을 미칩니다. 레이저 조사, 대기 조건 등 건축 공정 조건이 동일하더라도 파우더 베드 특성이 다르면 건축 자재 내부에 결함이 있을 수 있습니다. 따라서 최종 제품의 품질을 보장하려면 레이저 스캐닝 중 용융 공정에 대한 분말 베드 특성의 영향이 필요합니다9,10,11,12.

파우더 베드 및 제작된 부품 표면의 현장 모니터링에 대한 최근 연구는 결함 형성 메커니즘을 명확히 하는 데 중점을 두었습니다. 제작된 부품의 표면 형태를 정량화하기 위해 패턴 투영16, 비전 감지 및 낮은 일관성 간섭계18가 제안되었습니다. 그러나 분말층의 표면 형태는 관찰되지 않았으며 충분히 보고되어 있지 않다.

또한 PBF-LB 공정 중 결함이 발생하는 메커니즘에 대한 기존 연구도 집중되어 있으며, 고품질 제품의 안정적인 제조를 보장하기 위한 모니터링 기술도 개발되고 있다13,14,15,16,17,18. 고속 카메라8,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34 및 마이크로 싱크로트론 X를 사용하여 키홀링 및 스패터링으로 인한 결함 형성 메커니즘을 조사했습니다. -선 컴퓨터 단층 촬영(μSXCT)35,36,37,38,39,40,41. 분말 베드의 단일 레이저 트랙에 대해 스패터링 및 용융 풀 거동에 대한 관찰이 보고되었습니다. 그러나 이러한 관찰은 PBF-LB 프로세스 중에 수행되는 실제 레이저 스캐닝을 적절하게 설명하지 못합니다. 대부분의 연구는 균일한 파우더 베드 표면의 단일 레이저 트랙에 대해 수행되었습니다. 그러나 실제 프로세스에서는 다중 트랙을 사용합니다. 각 레이저는 한 면에는 분말 층 표면이 있고 다른 면에는 이전 레이저 스캔으로 만들어진 고체 부품 표면이 있는 라인을 스캔합니다. 본 연구에서는 분말층과 고체 부품 표면을 모두 포함하는 표면을 이종 표면이라고 합니다. 저자가 아는 한, 이종 표면의 스패터링 및 용융 풀 거동에 대한 체계적인 검증에 대한 보고서는 없습니다.