Island Interface Porosity in PBF-LB 316L: Effects of Island Overlap and Interlayer Shift in Chessboard Scanning

현대 제조 기술의 세계에는 별도의 금형이나 무거운 절삭 도구 없이, 디지털 설계로부터 직접 레이어를 쌓아 올려 단단한 금속 물체를 만드는 기술이 있습니다. 분말 베드 융해(powder bed fusion)라고 알려진 이 공정은 플랫폼 위에 미세한 금속 분말을 얇게 펴 바른 뒤, 강력한 레이저를 사용하여 특정 지점을 녹여 분말을 단단한 형상으로 융합시키는 방식으로 작동합니다. 레이저가 움직이면서 부품의 기하학적 구조를 그려내면, 한 층이 완성될 때마다 플랫폼이 약간 내려가고 새로운 분말 층이 펼쳐지며, 이 과정이 물체가 완성될 때까지 반복됩니다. 이 방식은 엔지니어들이 다른 방법으로는 불가능한 매우 복잡한 형상을 만들 수 있게 해주지만, 결과물인 부품이 항상 완벽한 것은 아닙니다. 공정 특유의 급격한 가열과 냉각은 '기공(pore)'이라 불리는 작고 눈에 보이지 않는 구멍들을 남길 수 있습니다. 이러한 빈 공간은 금속을 약화시켜 응력 하에서 균열이 생기거나 파손될 가능성을 높이기 때문에 심각한 문제가 되며, 이는 안전이 최우선인 항공우주 및 의료 산업에서 매우 중요한 관심사입니다.

인쇄 중에 발생하는 강렬한 열을 관리하기 위해 제조업체들은 종종 '체스판 스캐닝(chessboard scanning)'이라 불리는 전략을 사용합니다. 레이저가 부품 전체를 따라 하나의 길고 연속적인 선을 그리는 대신, 소프트웨어가 표면을 작은 정사각형, 즉 '아일랜드(islands)' 형태의 격자로 나눕니다. 레이저는 한 사각형을 채운 뒤 다른 사각형으로 건너뛰며, 한 곳에 열이 쌓이는 것을 방지하기 위해 방향을 교차하며 움직입니다. 그러나 이 방식은 사각형들이 만나는 지점에 새로운 경계선을 만들어냅니다. 만약 레이저가 이 가장자리 부분의 분말을 충분히 녹이지 못하면, 사각형들이 서로 제대로 융합되지 않아 아일랜드가 맞닿는 곳에 약한 지점과 구멍들이 생기게 됩니다. 수년간 엔지니어들은 새로운 층이 이전 층에 남겨진 틈새를 녹여 덮기를 바라며 매 층마다 격자 패턴을 약간씩 이동시키는 방식으로 이를 해결하려 노력해 왔습니다. 하지만 최근의 한 연구는 이러한 이동만으로는 완전한 해답이 아니며, 레이저가 동일한 층 내에서 사각형의 가장자리를 얼마나 겹쳐서 지나가는지, 즉 '중첩(overlap)' 정도를 조절하는 것이 훨씬 더 결정적인 역할을 한다는 점을 시사합니다.

파라나 연방 기술 대학교와 알키마트 테크놀로지아(Alkimat Tecnologia)의 연구진은 금속을 인쇄할 때 이 두 가지 요소가 어떻게 상호작용하는지를 정확히 조사하기 위해 착수했습니다. 그들은 강도와 부식 저항성이 뛰어나 널리 사용되는 스테인리스강의 한 종류인 AISI 316L에 초점을 맞추었습니다. 그들은 200와트 레이저가 장착된 장비를 사용하여 작은 금속 큐브들을 인쇄했으며, 내부의 구멍 개수에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 두 가지 특정 설정을 변화시켰습니다. 첫 번째 설정은 층 사이에서 전체 격자 패턴을 1밀리미터 이동시키는 '아일랜드 시프트(island shift)'였습니다. 두 번째 설정은 현재의 사각형을 인쇄하는 동안 레이저 경로가 이웃한 사각형 영역까지 얼마나 확장되는지를 제어하는 '아일랜드 오버랩(island overlap)'이었습니다. 더 쉽게 말해, 그들은 단순히 패턴을 위아래로 움직이는 것만으로 틈새를 메울 수 있는지, 아니면 결합을 확실히 하기 위해 레이저가 사각형의 가장자리를 의도적으로 더 공격적으로 겹쳐서 지나가야 하는지를 테스트한 것입니다.

연구팀은 수십 개의 샘플을 인쇄한 후, 각 샘irs를 정밀하게 절단하여 현미경으로 단면을 관찰하며 내부 구조를 측정했습니다. 그들은 업계에서 흔히 쓰이는 방식인 층 간 격자 이동만으로는 중첩이 너무 작을 경우 구멍을 해결하는 데 거의 효과가 없다는 것을 발견했습니다. 표준적인 최소 중첩을 사용했을 때, 층을 이동시키더라도 아일랜드 경계면에서 발생하는 융합 부족 결함을 막지 못했습니다. 층을 어떻게 오프셋(offset)하더라도 구멍들은 여전히 사각형이 만나는 지점에 선 형태로 집중되어 나타났습니다. 이 발견은 패턴을 이동시키는 것만으로는 이러한 특정 결함에 대한 충분한 해결책이 될 수 있다는 기존의 가설에 의문을 제기했습니다.

그러나 연구진이 중첩량을 늘리자 결과는 극적으로 변했습니다. 레이저가 이웃한 사각형 영역까지 더 멀리 지나가도록 조정함으로써, 경계 부분의 금속이 더 철저하게 녹고 융합되도록 유도한 것입니다. 중첩을 늘릴수록 아일랜드 인터페이스에서의 구멍 집중 현상이 사라졌습니다. 가장 유의미한 개선은 레이저 경로가 지정된 사각형의 가장자리를 훨씬 넘어 확장되는 설정인 135% 중첩을 적용했을 때 나타났습니다. 이 수준에서는 구멍들이 더 이상 약한 선 형태로 뭉쳐 있지 않고 재료 전체에 고르게 퍼져 있었으며, 전체적인 공극(void)의 수도 크게 감소했습니다. 이 높은 중첩 값을 1밀리미터 층 이동과 결합했을 때 결과는 더욱 좋아졌으며, 평균 기공률을 단 0.10%까지 줄였습니다.

연구는 또한 이 부품들을 인쇄하는 데 걸리는 시간도 살펴보았습니다. 중첩을 늘리면 레이저가 이동해야 하는 거리가 약간 길어져 공정 시간이 아주 조금 늘어났지만, 그 차이는 미미했습니다. 연구진은 체스판 전략을 사용하여 강하고 밀도가 높은 금속 부품을 생산하는 가장 효과적인 방법은 층을 이동시키는 것에 의존하는 것이 아니라, 레이저가 아일랜드의 가장자리를 충분히 겹치게 하여 완전한 용융을 보장하는 것임을 결론지었습니다. 층 이동은 남아있는 결함을 분산시키는 데는 도움이 되지만, 초기 단계에서 사각형 간의 융합이 불완전하다면 근본적인 문제를 해결할 수는 없습니다. 이 통찰은 엔지니어들에게 금속 3D 프린팅 부품의 품질을 개선하고, 실패를 유발할 수 있는 숨겨진 약점으로부터 자유로운 제품을 만들 수 있는 명확하고 실질적인 경로를 제시합니다.