Evaluation of Thermal Cycles and Microstructure in an ER2209 Stainless Steel Preform Fabricated by the WAAM-GMA Process

공장이 단순히 수천 개의 동일한 제품을 찍어내는 것이 아니라, 주문에 따라 하나뿐인 복잡한 형상을 만들어낼 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 현대 제조업의 꿈이며, 이 이야기의 주인공 중 하나는 와이어 아크 적층 제조(WAAM)라고 불리는 기술입니다. WAAM을 플라스틱을 녹이는 대신 로봇 팔이 든 용접 토치를 사용하여 금속 와이어를 녹이고 층층이 쌓아 올리는 고성ло 기술 기반의 산업용 3D 프린터라고 생각하면 됩니다. 이것은 마치 거대한 모래성을 쌓는 것과 같지만, 즉각적으로 식는 용융 강철을 사용하는 것입니다.

이 이야기의 핵심 재료는 "듀플렉스 스테인리스강"이라는 특별한 종류의 금속입니다. "듀플렉스"라는 이름은 페라이트와 오스테나이트라는 두 가지 서로 다른 결정상의 완벽한 50/50 분할로 이루어진 독특한 내부 구조에서 유래되었습니다. 이것을 절반은 다크 초콜릿이고 나머지 절반은 밀크 초콜릿인 초콜릿 바가 완벽하게 섞여 있는 모습이라고 상상해 보십시오. 이 균형은 매우 중요한데, 이 균형이 금속에 초능력을 부여하기 때문입니다. 즉, 강철처럼 강하면서도 챔피언처럼 녹과 부식에 잘 견디게 해줍니다. 하지만 이 두 상(phase)은 열에 매우 민erv습니다. 너무 오래 익히거나 잘못된 온도에서 조리하면 균형이 깨져 금속이 약해지거나 부서지기 쉬워집니다. 과학자들이 던지는 큰 질문은 이것입니다. 우리가 이 고속의, 열이 많이 발생하는 용접 로봇을 사용하여 부품을 만들 때, 실수로 그 섬세한 50/50 균형을 망가뜨리지 않고 거대한 부품을 만들 수 있을까?

이 논문은 바로 그 문제에 대해 깊이 파고듭니다. 연구진은 특정 유형의 듀플렉스 강 와이어(ER2209)와 표준 용접 로봇을 사용하여 50개 층으로 된 높고 곧은 벽을 만들기로 했습니다. 금속 내부에서 어떤 일이 일어나는지 확인하기 위해, 그들은 단순히 추측하는 대신 특수 열화상 카메라(열을 보는 초강력 야간 투시경 같은 것)와 맞춤형 컴퓨터 프로그램을 사용하여 벽이 구축되는 동안의 온도를 관찰했습니다. 그들은 벽을 마치 살아있는 생명체처럼 취급하여, 세 가지 다른 높이(시작 지점인 바닥 근처, 중간, 그리고 맨 꼭대기)에서 "바이탈 사인"을 체크했습니다.

연구 결과는 다음과 같으며, 이는 약간의 경고를 담고 있습니다. 벽을 만들기 시작할 때, 금속은 두 상이 비교적 균형을 유지할 만큼 충분히 차가웠으며, "좋은" 오스테나이트 상이 약 60%를 차지했습니다. 하지만 로봇이 벽을 식히기 위해 멈추지 않고 계속해서 층을 쌓아 올리자 문제가 발생했습니다. 열이 점점 더 두꺼워지는 담요처럼 쌓이기 시작했습니다. 벽의 중간 지점(약 16번째 층)에 도달했을 무렵, 열이 너무나 강렬해져서 금속은 균형을 잡는 법을 잊어버렸습니다. 오스테나이트 상이 폭발적으로 증가하여 재료의 70% 이상을 차지하게 된 것입니다. 이것은 큰 문제인데, 이러한 유형의 강철의 경우 오스테나이트가 70%를 넘으면 "용납할 수 없는" 것으로 간주되며 부품을 실패하게 만들 가능성이 높기 때문입니다.

연구진은 또한 벽이 완벽하게 곧지 않고, 양 끝이 넓어지고 중간이 높아지는 등 약간 흔들리고 불균일하다는 점을 발견했습니다. 이는 로봇이 코너를 돌 때 속도를 줄이거나 높여야 했기에 그 지점에 추가적인 금속을 떨어뜨렸기 때문입니다. 하지만 진짜 놀라운 점은 금속의 경도를 테스트했을 때 나타났습니다. 보통은 페라이트가 더 많은 금속이 더 단단할 것이라고 예상하지만, 그 반대의 현상이 일었습니다. 가장 뜨거웠던 부분(오스테나이트가 가장 많았던 부분)이 실제로 가장 단단했습니다. 저자들은 이것이 강렬한 열 순환이 금속 내부에 작고 해로운 결정을 형성하게 하여, 주요 구조가 불균형함에도 불구하고 금속을 부서지기 쉽고 단단하게 만들었기 때문일 수 있다고 제안합니다.

요약하자면, 이 연구는 이 고속 용접 방식이 빠르고 멋지긴 하지만, 계획 없이 단순히 열이 쌓이도록 내버려 두면 듀플렉스 강의 특별한 특성을 망가뜨린다는 것을 보여줍니다. 로봇은 벽을 너무 뜨겁게, 너무 오랫동안 유지하여 50/50의 이상적인 지점에서 균형을 크게 무너뜨렸습니다. 연구진은 우리가 미래에 이 방식으로 강하고 녹슬지 않는 부품을 만들고자 한다면, 층 사이에서 금속을 더 빨리 식힐 방법을 찾아야 하며, 그렇지 않으면 겉보기에는 괜찮아 보이지만 실제로는 제 역할을 할 만큼 강하지 않은 벽을 얻게 될 것이라고 결론지었습니다. 또한 그들은 열화상 카메라를 사용하는 것이 실시간으로 이러한 열 문제를 포착하는 저렴하고 효과적인 방법임을 입증했으며, 이는 전체 건축 과정에 대한 온도계 역할을 합니다.