마레이징강의 직접 에너지 증착(DED) 공정에서 분말 흐름이 열 및 유체 흐름 조건에 미치는 영향 – 다중물리 모델링 및 실험 검증
연구 배경 및 목적
문제 정의: 직접 에너지 증착(DED) 공정은 기능성 소재 제작, 표면 개질 및 손상 부품 복구에 널리 사용된다. 그러나 공정 중 분말 입자의 운동과 용융 풀(melt pool)의 상호작용은 아직 명확히 이해되지 않았다.
연구 목적:
- FLOW-3D 기반 다중물리 모델 개발을 통해 분말 입자의 유입 속도가 용융 풀의 열전달 및 유체 흐름에 미치는 영향을 분석.
- 실험적 검증을 통해 모델의 정확성을 평가하고, 분말 속도 변화에 따른 용융 풀 형상 및 트랙 품질 분석.
- 분말 유속 조절을 통한 최적의 증착 형상 및 공정 조건 도출.
연구 방법
DED 공정 개요
- DED는 레이저와 분말이 동시에 조사되어 금속을 적층하는 공정.
- 분말은 캐리어 가스(Ar)와 함께 노즐에서 분사되며, 레이저에 의해 용융되어 기판에 적층됨.
- 주요 변수: 레이저 출력(3kW), 주사 속도(0.8m/min), 분말 공급 속도(28.5g/min), 노즐 거리(18.5mm).
FLOW-3D 기반 수치 모델링
- VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
- 유체역학 모델: 표면 장력, 마랑고니 효과, 반동 압력(Recoil Pressure) 고려.
- 열전달 모델: 용융 및 응고 해석, 증발 및 증발 냉각 포함.
- 레이저-분말 상호작용: 다중 반사(ray-tracing) 모델 적용하여 레이저 에너지가 분말 및 용융 풀에 미치는 영향 분석.
- 실험 검증:
- In-situ 열화상 카메라를 활용하여 용융 풀의 온도 분포 및 동적 변화를 모니터링.
- Ex-situ 광학 현미경 분석을 통해 최종 증착 형상과 모델 예측값 비교.
주요 결과
분말 속도가 증착 형상 및 용융 풀 거동에 미치는 영향
- 분말 유속 증가 → 트랙 높이 증가, 폭 감소 (높이/폭 비율 증가).
- 유속이 낮을수록 분말이 레이저와 더 오래 접촉하여 용융 풀 온도가 높아지고, 결과적으로 더 넓은 트랙 형성.
- 유속이 높을수록 용융 풀의 온도가 낮아지고, 표면 장력이 증가하여 더 좁고 높은 트랙 형성.
유체 흐름 및 온도 분포 분석
- 용융 풀 내 마랑고니 유동 발생 → 중심부에서 가장 높은 온도 분포 형성.
- 반동 압력 증가 시 용융 풀의 깊이가 깊어지며, 특정 조건에서는 키홀(keyhole) 형성이 가능함.
- 분말 속도 3배 증가 시:
- 높이/폭 비율 104% 증가.
- 트랙의 젖음성(Wettability) 24% 감소 → 표면 장력 영향으로 용융 풀이 좁아짐.
결론 및 향후 연구
결론
- FLOW-3D 기반 다중물리 모델이 DED 공정의 열 및 유체 흐름을 정확히 예측할 수 있음을 확인.
- 분말 속도가 증가하면 트랙 형상 변화 및 표면 젖음성이 감소하며, 이는 공정 최적화에 중요한 요소임.
- 실험 검증 결과와 시뮬레이션 예측값이 높은 상관관계를 보이며, 분말 속도 조절을 통해 최적의 증착 형상 도출 가능.
향후 연구 방향
- 다양한 재료(알루미늄, 티타늄 등) 및 분말 크기 변화에 따른 영향 분석.
- 레이저-분말 상호작용 모델 개선을 통한 용융 풀 형상 최적화.
- 다층 적층 공정에서 열 누적(Thermal Accumulation) 및 응력 분석.
연구의 의의
이 연구는 DED 공정에서 분말 흐름이 용융 풀의 열전달 및 유체 흐름에 미치는 영향을 수치적으로 분석하고, 실험적으로 검증한 최초의 연구 중 하나이다. 공정 최적화를 위한 중요한 설계 지침을 제공하며, 금속 적층 제조(AM) 분야에서 활용될 수 있는 정량적 모델을 제시하였다.
