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하이브리드 L-PBF 적층 제조 및 밀링 가공 공정 특성을 규명하기 위하여 시스템을 개발하였다. Fig. 1는 구현된 단일베드 형태의 하이브리드 PBF 적층 제조 시스템으로서 Fig. 1(a)와 같이 PBF 적층 제조를 담당하는 영역과 3축 CNC 밀링 가공을 담당하는 영역으로 분리되어 있으며 적층 및 가공 최대 영역은 400×400×330 mm³이다. 본 시스템의 CNC 밀링 가공기의 적층영역 개입을 위하여 500 mm 이상의 광학적 작업거리(working distance)의 확보가 필요한데, 이를 위하여 3차원 갈바노 스캐너(AXIALSCAN-30, Raylase)가 적용되었다. Fig. 1(b)는 실제 적층 제조 및 밀링 가공이 수행되는 빌드룸(build room)의 구성을 보여주고 있으며, 적층 테이블, 흄 유동장치, 분말 공급장치 및 밀링용 스핀들 등으로 구성되어 있으며 Fig. 1(c)와 같이 L-PBF 및 밀링 공정을 반복적으로 수행하게 된다.

Fig. 1 
Experimental setup (a) Schematic diagram of hybrid L-PBF system (b) Configuration of build room chamber (c) Schematic diagram of hybrid L-PBF process

앞 장에서 설명한 하이브리드 L-PBF 실험 장치의 적정 적층 제조 조건을 선정하기 위하여 L-PBF 적층 제조 공정 특성 분석 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 Table 1과 같이 레이저 출력, 해칭 간격 및 레이저 스캔 속도 3가지 변수를 3가지 수준으로 선정하여 27가지 조건으로 10×10×10 mm³ 크기의 직육면체 시편을 조형하는 실험을 수행하였으며 이 때 공칭 에너지 밀도는 19.4~67.7 J/mm³ 이다. 구체적인 실험 조건은 Table 2와 같다. 실험 후 관측 인자는 샘플의 상대 밀도이며 아르키메데스 법을 이용하여 측정하였다^[12]. 실험에 사용된 분말은 스테인리스 316L 강으로 입자의 평균입도 및 조성 정보는 Fig. 2 및 Table 3과 같다.

Fig. 2 
Size distribution of STS 316L powder

조형된 시편의 상대밀도 측정 결과는 Fig. 3와 같으며, 27가지 조건에서 91.1~99.9% 수준을 보임을 확인할 수 있으며 조형된 시편의 형상은 Fig. 4와 같이 27가지 시험조건 전체에서 직육면체 형태로 설계와 동일하게 조형됨을 알 수 있었다. 실험결과 시편의 상대밀도는 전반적으로 레이저 출력에 의하여 가장 크게 변하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 공칭 에너지 밀도(E_v, volumetric energy density)의 개념의 도입을 통해서 경향성을 설명할 수 있다.

Fig. 3 
Relative density of L-PBF specimens with varying scan speed (a) 800 mm/sec (b) 1000 mm/sec (c) 1200 mm/sec

Fig. 4 
Shape of L-PBF specimens

여기서 P, v, h, t는 각각 레이저 출력, 스캐닝속도, 해칭간격, 적층 레이어 두께를 의미한다. E_v는 일반적으로 상대밀도의 비례적 경향성 보이는 것으로 알려져 있고 본 연구에서도 동일한 경향성을 따르고 있으나 과다한 에너지가 투입에 의하여 상대 밀도의 감소가 발생하기도 하였다. 이는 적정 수준의 에너지 투입 시 파우더 베드면의 분말재료가 적절히 용융되어 시편의 밀도가 증가 할 수 있으나 과도한 수준의 에너지가 투입될 경우 모재 및 분말의 기화에 의한 영향으로 볼 수 있다^[13]. 다음 장에서 수행하게 되는 하이브리드 L-PBF 가공실험에서는 조형성, 빠른 제조 시간 및 99.8%의 상대 밀도를 확보할 수 있는 레이저 출력 130W, 스캔 속도 1000 mm/s 및 해칭 간격 90 μm을 적정 공정조건으로 선정하였다.

기계가공 공정 조건에 따른 가공 표면품질을 비교하기 위하여 하이브리드 L-PBF 적층 제조 실험을 수행하였다. 우선 앞 장에서 도출된 적정 프린팅 공정 조건인 레이저 출력 130W, 스캔속도 1000mm/s 및 해칭간격 90 μm 공정조건에서 3×15×6mm³ 크기로 조형된 직육면체 시편 측면의 상향 절삭이 수행되었으며 공정의 도식도는 Fig. 6과 같다. 본 실험은 Fig. 5(a)와 같이 반경방향 절삭 깊이(radial depth of cut) 및 축방향 절삭 깊이(axial depth of cut) 에 따른 절삭 특성을 분석하였으며 실험설계 및 조건은 Table 4 및 Table 5와 같다. 반경방향 절삭 깊이의 경우 공칭 조형치수에 대한 절삭 깊이를 의미한다. 적층 시편은 융융풀(melt pool)의 직경 및 파우더베드면의 분말이 직경 편차 등의 효과로 인하여 갈바노스캐너의 제어 지령상 크기보다 50~100 μm 수준 외곽이 더 크게 조형된다. 따라서 실제 반경 방향의 절삭 깊이는 상기한 효과에 의하여 정확히 정의하기 어렵고 편차의 발생이 불가피 하다. 축방향 절삭 깊이의 경우 Fig. 5(b)와 같이 실제 이전 가공을 수행 한 후 적층이 누적된 두께보다 100μm를 더 축방향으로 하강 및 중첩하여 수행하였는데 이는 중첩이 없을 경우 가공면에 발생하는 버(burr)가 심각한 적층 불량을 발생시키기 때문이다.

Fig. 5 
Schematics of side milling process (a) Depth of cut (b) Overlap

Fig. 6 
SEM images of L-hybrid PBF specimens (a) L-PBF surface without milling (b) Axial depth of cut 400 μm (c) Axial depth of cut 700 μm (d) Axial depth of cut 1000 μm

조형된 시편의 가공 면을 Fig. 6와 같이 전자주사현미경 촬영을 통해서 상대 비교 하였으며 Fig. 6(a)는 기준이 되는 미가공 적층면의 형상이다. Fig. 6(b)는 매 10회 적층 후 밀링 가공을 수행한 축방향 절삭 깊이 400 μm의 결과로서 반경 방향 절삭 깊이에 따른 시편 표면 형상 차이가 매우 상이하게 나타났다. 반경 방향 절삭 깊이가 0 μm인 경우 절삭층에서 발생하는 버 및 분말의 용착면이 일부 나타났으며 기공면이 다수 관측되었다. 반경방향 절삭 깊이가 100 μm인 경우 전체 시편 중 가장 용착이 적게 나타났으며 일부 기공이 확인되었다. 반면 반경 방향 절삭 깊이가 200 μm 및 300 μm의 경우 가공 경계층 사이에 용착된 버와 분말이 확연하게 나타나는 것을 관측하였다. Fig. 6(c) 및 (d)는 각각 20회 및 30회 적층 후 밀링 가공을 수행한 축방향 절삭 깊이 700 μm 및 1000 μm의 결과로서 Fig. 6(b), (c) 및 (d)를 상대 비교하였을 경우 축방향 절삭 깊이가 커질수록 동일한 반경 방향 절삭 깊이 조건에서 시편의 표면 용착면이 감소하는 경향성을 보이는 것을 알 수 있었다. 그러나 반경 방향 절삭 깊이 200 μm 및 300 μm의 경우 확연한 버와 분말 용착층을 확인할 수 있었다. 실험결과 반경 방향 절삭 깊이의 표면 용착 현상에 대한 영향이 매우 큰 것으로 확인되었고 특히 200 μm 이상의 절삭 깊이에서는 영향이 더욱 두드러지는 것으로 확인되었다.

표면 형상에 대한 정량적 분석을 위하여 접촉식 표면조도계(SV-3000, Mitutoyo)를 이용하여 측정한 밀링 가공 방향 표면조도 Ra 값은 아래의 Fig. 7과 같이 확인할 수 있으며, 반경 방향 절삭 깊이 400μm의 경우 용착 경계면과 가공면의 높이 차이가 크기 때문에 조도측정이 불가능 하였다. 조도 측정 결과 밀링가공의 개입에 의하여 표면조도의 개선효과가 발생하는 것을 확인하였다. 또한 표면조도 결과 값은 전자주사현미경 촬영 결과와 유사한 경향성을 보이고 있어 하이브리드 L-PBF 공정에서 축방향 절삭 깊이의 설정이 매우 중요함을 확인할 수 있었다.

Fig. 7 
Surface roughness of L-hybrid PBF specimens

절삭 깊이에 따른 표면 형상의 변화에 대한 고찰을 수행하였으며 절삭 깊이에 대한 영향은 Fig. 8과 같이 추정할 수 있다. 우선 절삭 깊이가 충분하지 않을 때 다수 관측되는 기공형상의 경우 L-PBF 공정으로 적층된 거친 표면을 충분히 절삭하지 않아 발생하는 기공으로 추정 할 수 있다. 반면 반경방향 절삭 깊이가 200 μm 이상일 경우 밀링 가공 후 레이저 용융이 발생하는 층의 최외각면이 밀링 가공 버 및 분말 도포층으로만 형성되어 있는 위치에 해당하기 때문에 이러한 부위에 부분적 용착 불량이 발생하게 되는 것으로 추정할 수 있었다. 축방향 절삭 깊이의 경우 절삭 깊이가 커 질수록 L-PBF 공정 적층 회수 대비 밀링 가공의 개입 회수의 비율이 적기 때문에 용착면 및 버의 형성이 형성이 적게 발생하고 이로 인하여 전체 밀링 가공면에서 이러한 불량의 양상이 적게 보이는 것으로 추정할 수 있다. 12가지 모든 실험조건에서 용착면 및 버의 생성이 확인되었는데 이는 본 연구에서 설정한 100 μm 보다 깊은 오버랩 깊이가 필요한 것으로 분석할 수 있었다.

Fig. 8 
Effect of radial depth of cut on surface quality