Introducing Friction Stir Spot Additive Manufacturing process for producing aluminum parts

기술 요약: 알루미늄 부품을 위한 마찰 교반 스팟 적층 제조(FSSAM) 도입

문제 제기
적층 제조(AM)가 금속 부품 생산에 혁신을 가져왔지만, 전통적인 층 형성 방식은 종종 고가의 장비(레이저, 분말)나 복잡한 결합 기술에 의존한다. 마찰 교반 적층 제조(FSAM)는 알루미늄과 같은 금속을 위한 고체 상태의 비용 효율적인 대안을 제공하지만, 복잡한 내부 기하학적 구조나 채널을 가진 부품을 제작하는 데 있어 상당한 한계에 직면해 있다. 표준 FSAM에 요구되는 연속적인 툴 경로(tool path)는 지지 구조 없이는 오버행(overhang)이나 내부 빈 공간을 생성하는 능력을 제한한다. 본 연구는 구조적 무결성을 유지하면서도 복잡한 알루미늄 구성 요소를 생산할 수 있는 더 다재다능하고 저렴한 적층 제조 방식에 대한 필요성을 다룬다.

방법론
본 연구는 불연속적인 층을 결합하기 위해 마찰 교반 스팟 용접(FSSW)을 활용하는 FSAM의 변형 방식인 **마찰 교 교반 스팟 적층 제조(FSSAM)**를 소개한다. 방법론에는 실험적 제작과 수치 시뮬레이션이 모두 포함되었다:

• 설계 및 제작: 전통적인 방식으로 가공이 불가능한 내부 기하학적 구조를 가진 복잡한 직경 80mm 부품을 설계하였다. 층 정렬을 용이하게 하기 위해 볼팅을 위한 두 개의 8mm 구멍을 포함시켰다. 공정은 레이저로 특정 층 프로파일에 맞춰 알루미늄 시트를 절단하고, 이를 적층한 후 스팟 용접으로 인접한 층들을 결합하는 과정을 거쳤다. 용접 지점의 위치는 연속성을 보장하기 위해 연속적인 층 사이(Layer n 대 Layer n-1)에서 엇갈리게 배치되었다.
• 공정 파라미터: 컬럼 드릴 머신에 Bakhshian의 설계를 기반으로 한 핀 툴을 사용하였다. 회전 속도는 열 발생과 결정립 성장 및 강도 저하 위험 사이의 균형을 맞추기 위해 최적의 값인 1500 rpm으로 선택되었다.
• 실험적 테스트: 기계적 성능을 평가하기 위해 4개의 층으로 구성된 직사각형 빔(120 × 30 × 1 mm)을 제작하였다. 층당 2개, 4개, 6개의 용접 지점을 가진 세 가지 구성을 테스트하였다. 이 샘플들은 힘-변위 거동을 측정하기 위해 3점 굽힘 시험(스팬: 120 mm, 속도: 2 mm/min)을 거쳤다.
• 수치 시뮬레이션: 기계적 거동을 예측하기 위해 유한 요소 모델링(FEM)을 수행하였다. 대칭성을 고려하여 S4R 및 S3 요소를 사용하여 빔의 1/4 모델을 분석하였다. 응력 집중을 고려하여 용접 지점 근처에 메쉬 세분화(mesh refinement)를 적용하였다. 시뮬레이션은 특정 변위를 달성하는 데 필요한 힘을 결정하고 등가 강성 계수를 계산하는 것을 목표로 하였다.

주요 기여

• 공정 혁신: 본 논문은 표준 FSAM이나 전통적인 가공으로는 달성할 수 없는 복잡한 내부 기하학적 구조를 가진 알루미늄 부품을 제조하기 위한 실행 가능한 솔루션으로서 FSSAM을 제안한다.
• 설계 가이드라인: 본 연구는 FSSAM을 위한 중요한 설계 제약 조건을 설정한다: 설계자는 스팟 용접 지점을 수용할 수 있도록 모든 단면에 "고체 영역"(툴 숄더의 반경 정도)이 존재하도록 보장해야 한다.
• 파라미터 분석: 본 연구는 층당 용접 지점의 수와 그에 따른 굽힘 강도 사이의 관계를 정량화하여, 공정 최적화를 위한 데이터 기반 접근 방식을 제공한다.

결과

• 기계적 성능: 실험 및 수치 결과는 용접 지점의 수를 늘리는 것이 적층 부품의 기계적 거동을 크게 개선하여, 이상적인 고체(단일 구조) 빔의 성능에 가깝게 만든다는 것을 입증하였다.
• 강성 및 강도: 힘-변위 도표는 층의 수를 늘리는 것은 빔의 거동을 급격히 변화시키지 않았으나, 용접 지점의 밀도를 높이는 것은 변화시킨다는 것을 보여주었다. 구체적으로, 8개의 용접 지점으로 제작된 빔은 이상적인 알루미늄 고체 부품의 **굽힘 강도와 강성의 약 80%**를 달 수 있었다.
• 시뮬레이션 상관관계: 유한 요소 모델은 실험적인 힘-변위 곡선을 정확하게 예측하였으며, 이를 통해 향후 설계 시 용접 지점 분포를 최적화하기 위한 수치적 도구의 유효성을 검증하였다.
• 관찰된 한계점: 수동으로 작동되는 컬럼 드릴의 사용으로 인해 특정 지점에서 압력 적용이 일정하지 않았으며, 이로 인해 일부 영역에서 불충분한 결합이 발생하였다.

의의 및 주장
저자들은 FSSAM이 특히 기하학적 복잡성을 가진 알루미늄 부품을 생산하기 위한 비용 효율적인 옵션이라고 주장한다. 본 연구는 FSSAM이 형상 복잡성에 관한 기존 FSAM의 한계를 극 overcome 할 수 있다고 결론짓는다. 그러나 저자들은 현재의 한계에 대해 신중한 어조를 유지하며, 압력을 수동으로 가하는 방식이 현재 설정의 약점임을 언급하였다. 이들은 향후 산업적 도입을 위해 일관된 압력과 결합 품질을 보장할 수 있는 정밀한 CNC 제어 장치를 활용해야 한다고 제안한다. 또한, 용접 구멍을 제거하여 결합 품질을 높이고 응력 집중을 줄이기 위해 **리필 마찰 교반 스팟 용접(RFSSW)**을 탐구할 것을 향후 연구 과제로 제안한다. 본 논문은 FSSAM을 모든 AM 방식의 대체제가 아니라, 비용과 기하학적 복잡성이 주요 동인인 알루미늄 구성 요소를 위한 특정한 경제적 솔루션으로 포지셔닝한다.