Research on Method and Technology of Dual-Beam Selective Laser Melting Forming of Porous Stainless Steel

초고온 레이저를 사용하여 녹은 금속으로 섬세하고 스펀지 같은 성을 쌓으려 한다고 상상해 보십시오. 이것이 바로 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting, SLM)의 세계입니다. 이는 금속 분말 층을 융합하여 복잡한 형상을 만들어내는 첨단 3D 프린팅 기술입니다. 과학자들은 이 방식이 필터, 열교환기, 또는 심지어 뼈가 안에서 자랄 수 있게 해주는 의료용 임플란트와 같은 용도에 적합한 가볍고 다공성인 구조물을 만들 수 있기 때문에 매우 좋아합니다. 하지만 한 가지 문제가 있습니다. 레이저로 금속을 내리치면 금속이 엄청나게 뜨거워지고, 식을 때 수축한다는 점입니다. 금속이 매우 불균일하게 냉각되기 때문에(중앙은 뜨겁고 가장자리는 차갑기 때문에), 마치 너무 팽팽하게 당겨진 고무줄처럼 뒤틀리고 스트레스를 받게 됩니다. 이 "잔류 응력(residual stress)"은 최종 결과물을 갈라지거나 뒤틀리게 만들어 완벽한 스펀지 구조를 망칠 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 마치 수플레가 무너지지 않도록 오븐의 온도를 적절히 조절하는 요리사처럼, 열을 제어하는 방법을 찾고 있습니다.

이 연구에서 푸젠 공업대학교(Fujian University of Technology)의 연구팀은 영리한 묘책을 시도하기로 했습니다. 단 하나의 레이저 대신 두 개의 레이저를 사용하는 것입니다. 그들은 금속 분말을 녹이기 위한 "메인" 레이저와, 메인 빔 바로 앞의 영역을 부드럽게 데워주는 "보조(또는 보조적)" 레이저를 설정했습니다. 이것은 마치 메인 셰프가 스테이크를 강하게 익히는 동안, 수셰프가 따뜻한 수건을 사용하여 고기를 미리 부드럽게 예열하여, 금속이 충격을 받지 않고 온도가 매끄럽게 변하도록 보장하는 것과 같습니다. 이 과정을 컴퓨터로 시뮬레이션하고 실제 실험을 수행한 결과, 연구팀은 이 이중 레이저 방식이 '열적 완충제(thermal buffer)' 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 이는 스트레스를 유발하는 급격한 온도 차이를 줄여주어, 금속의 열에 대한 반응을 효과적으로 "부드럽게" 만듭니다. 시뮬레이션과 테스트 결과, 이 방식은 스테인리스 스틸의 내부 응력을 성공적으로 낮추었으며, 이는 적절한 방식으로 추가적인 열을 더하는 것이 사물을 차분하고 안정적으로 유지하는 최선의 방법임을 입в증했습니다.

실험: 두 개의 레이저 vs 하나의 레이저

연구진은 강하면서도 미세한 구멍이 가득한 재료로 알려진 316L 다공성 스테인리스 스틸을 만드는 데 집중했습니다. 그들은 금속 분말을 연속적인 블록으로 취급하고 열이 어떻게 이동하는지 시뮬레이션하는 상세한 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 컴퓨터 모델이 진실을 말하고 있는지 확인하기 위해, 그들은 먼저 실제 이중 빔 장비(Dimetal-280 시스템)를 사용하여 샘样을 출력하고, 아주 작은 "용융 풀(melt pools)"(녹은 금속이 남긴 작은 웅덩이들)을 측정했습니다. 컴퓨터의 예측은 매우 정확하여 실제 측정값과 5% 이내의 오차 범위를 보였습니다. 이를 통해 연구진은 값비싼 금속 분말을 낭비하지 않고도 수백 가지의 다른 시나리오를 테스트할 수 있는 확신을 얻었습니다.

열의 "골디락스(Goldilocks)" 존

연구팀은 서로 다른 설정이 결과에 어떤 변화를 주는지 알아보기 위해 일련의 테스트를 진행했습니다. 그들은 이 과정을 레시피처럼 다루며 다섯 가지 핵심 재료를 조정했습니다: 보조 레이저의 출력, 보조 레이저의 초점 크기, 레이저 이동 속도, 레이저 라인 간의 간격, 그리고 두 레이저가 발사되는 시간 차이입니다.

그들은 이러한 설정과 최종 응력 사이의 관계가 단순히 "많을수록 좋다"거나 "적을수록 좋다"는 식의 단순한 이야기가 아님을 발견했습니다. 대신, 그것은 정교한 균형 잡기였습니다:

• 보조 레이저 출력: 보조 레이저가 너무 약하면 금속을 충분히 데우지 못합니다. 반대로 너무 강하면 금속을 과열시켜 과도하게 팽창하게 함으로써 새로운 스트레스를 유발합니다. 스트레스를 완벽하게 줄여주는 "최적의 지점(sweet spot)"이 존재했습니다.
• 초점 크기: 보조 레이저의 초점이 너무 작으면 충분한 면적을 데우지 못합니다. 초점이 너무 크면 일부 지역의 금속을 너무 많이 식히게 됩니다. 적절한 크기는 급격한 온도 저하를 방지하는 매끄럽고 따뜻한 구역을 만들어냈습니다.
• 속도 및 간격: 레이저를 너무 느리게 움직이면 열을 너무 많이 쏟아붓게 되고, 너무 빠르게 움직이거나 간격을 너무 넓게 두면 차가운 틈이 생깁니다. 연구팀은 1200 mm/s의 스캐닝 속도와 100 μm의 간격이 가장 효과적이라는 것을 발견했습니다.
• 시간 간격: 이것은 보조 레이저가 지점을 데우는 것과 메인 레이저가 이를 녹이는 것 사이의 타이밍입니다. 두 레이저가 동시에 발사되면 너무 혼란스러웠습니다. 반대로 너무 오래 기다리면 메인 레이저가 도착하기 전에 금속이 완전히 식어버렸습니다. 완벽한 타이밍은 단 0.3 ms의 간격이었는데, 이는 모멘텀을 잃지 않으면서도 예열 작업이 제 역할을 하기에 딱 적당한 시간이었습니다.

승리의 조합

"직교 테스트(orthogonal test, 여러 조합을 한 번에 테스트하는 스마트한 방법)"를 거친 후, 연구진은 스트레스가 가장 적은 궁극의 레시피를 찾아냈습니다. 이상적인 설정은 다음과 같습니다:

• 메인 레이저 출력: 150 W
• 메인 레이저 초점 크기: 40 μm
• 보조 레이저 출력: 10 W
• 보조 레이저 초점 크기: 160 μm
• 스캐닝 속도: 1200 mm/s
• 스캐닝 간격: 100 μm
• 시간 간격: 0.3 ms

이 특정 조합을 사용했을 때, 금속의 잔류 응력이 최저점으로 떨어졌습니다. 실제로 최적의 설정을 가진 그룹(Group 3)은 282 MPa의 응력 수준을 보였는데, 이는 최악의 성능을 보인 그룹(Group 9)의 384 MPa보다 현저히 낮은 수치였습니다. 이는 온도 구배(temperature gradient, 뜨거운 용융 풀과 차가운 주변 환경 사이의 온도 차이)가 스트레스의 주요 원인이었음을 입증했습니다. 이 온도 차이를 완화함으로써 스트레스도 완화되었습니다.

최종 대결: 두 개의 빔 vs 하나의 빔

자신의 주장을 확실히 증명하기 위해, 연구팀은 가장 뛰어난 이중 빔 설정을 표준 단일 빔 설정과 비교했습니다. 그들은 총 에너지를 거의 동일하게 유지하면서, 이중 빔 버전에서는 에너지를 두 개의 레이저로 나누었습니다. 결과는 명확했습니다:

• 단일 빔: 최고 온도 1580 ℃, 온도 구배 41,522 ℃/mm, 잔류 응력 293 MPa를 생성했습니다.
• 이중 빔: 약간 낮은 최고 온도 1525 ℃, 더 완만한 온도 구배 39,162 ℃/mm, 그리고 더 낮은 잔류 응력 282 MPa를 생성했습니다.

이중 빔 방식은 잔류 응력을 약 3.75% 감소시켰습니다. 이 수치가 작아 보일 수 있지만, 정밀 공학의 세계에서는 상당한 개선입니다. 이 방식이 성공한 이유는 보조 레이저가 예열기 역할을 하여, 메인 레이저가 도착하기 전에 분말 베드를 미리 데워주었기 때문입니다. 덕분에 금속은 냉각될 때 급격하고 충격적인 온도 저하를 겪지 않아도 되었고, 이는 균열을 일으키는 "뒤틀림"을 방지했습니다.

이것이 의미하는 바

이 연구는 협력하는 춤을 추는 두 개의 레이저를 사용하는 것이 더 강하고 스트레스가 적은 다공성 금속 부품을 만드는 실행 가능한 방법임을 확인해 줍니다. 연구진은 보조 레이저의 출력, 속도, 타이밍을 세심하게 조정함으로써 금속의 열적 이력을 제어할 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 단순히 추측한 것이 아니라, 물리학을 시뮬레이션하고 이를 실제 실험으로 검증하여 가장 잘 작동하는 특정 수치들을 찾아냈습니다. 비록 스트레스 감소 폭은 완만했지만, 이 방법은 향로적인 개선을 위한 견고한 이론적 토대를 제공합니다. 이는 우리가 미래에 더욱 복잡하고 신뢰할 수 있는 금 Metal 구조물을 인쇄하고자 한다면, 레이저를 단순히 "열 가하는 도구"로 생각하는 것을 넘어, 하나는 무대를 준비하고 다른 하나는 본격적인 작업을 수행하는 하나의 팀으로 생각해야 함을 시사합니다.