Study of Thermal and Hydrodynamic Behavior of Incone-625 Additively Manufactured Surfaces with Varying Scan Orientations: Surface Topography Analysis, Experimental Investigation with Reproducibility Tests and CFD Verification

기술 요약: 인코넬-625 적층 제조 표면의 열 및 유체역학적 거동

문제 정의
적층 제조(AM), 특히 레이저 분말 침대 용융 방식(LPBF)은 기존 방식으로는 구현하기 어려운 냉각 채널과 같은 복잡한 내부 기하 구조를 가진 부품을 제작할 수 있는 능력을 제공한다. 그러나 제작된 상태 그대로의(as-built) AM 부품 표면 거칠기는 본질적으로 거칠며, 스캔 방향과 같은 빌드 파라미터에 따라 크게 달라진다. 이전 연구들이 AM 표면 토포그래피와 유동 또는 열전달 사이의 연관성을 확립했으나, 다양한 스캔 방향에 따른 as-built 표면 특성(용접 트랙, 스패터, 부분 용융 입자 포함)과 열-유체역학적 성능 사이의 구체적인 관계를 이해하는 데에는 여전히 공백이 존재한다. 또한, 기존의 많은 연구는 특정 채널 기하 구조에 국한되어 있거나 등가 거칠기를 이용한 전산유체역학(CFD) 모델링과 실험적 검증 사이의 포괄적인 상관관계가 부족하다. 본 연구는 다양한 스캔 방향에 따른 냉각 채널의 열전달(Nusselt 수) 및 압력 강하에 미치는 AM 거칠기 특성의 영향을 조사하고, 재현 가능한 실험 데이터를 통해 수치 모델을 검증하는 것을 목표로 한다.

연구 방법론
본 연구는 CFD 시뮬레이션과 실험적 조사를 결합한 이중 접근 방식을 채택하였다.

• 제작 및 시편 준비: 인코넬-625 표면은 EOS M290 장비를 사용하여 유동 방향에 대해 0°, 45°, 90°의 세 가지 핵심 스캔 방향으로 LPBF를 통해 제작되었다. 재현성을 보장하기 위해 각 방향당 3개의 시편을 출력하였다. 단조 바(forged bar)에서 가공된 매끄러운 인코넬-625 부품이 기준 대조군으로 사용되었다. 모든 AM 시편은 잔류 응력을 완화하기 위해 열처리(900°C에서 4시간 유지 후 어닐링)를 거쳤으며, 처리 전후의 표면 토포그래피를 검증하여 유의미한 변화가 없음을 확인하였다.
• 표면 특성 분석: 코히어런스 스캐닝 간섭계(CSI)와 20X 대물렌즈를 사용하여 면적 표면 거칠기를 측정하였다. 형상(form)과 파상도(waviness)를 제거하기 위해 100 µm의 저역 통과 푸리에 필터를 적용하였다. 본 연구에서는 $S_q$가 산술 평균($R_a$)보다 면적 토포그래피 특징을 더 잘 포착한다는 점을 인지하며, CFD 모델링을 위한 등가 모래알 거칠기($k_s$)를 정의하기 위해 제곱평균제곱근 거칠기($S_q$)를 활용하였다.
• 실험 장치: 혁신적이고 교체 가능한 실험 장치가 설계 및 제작되었다. 이는 두 부분으로 구성된다: 단열재 역할을 하는 고온 수지(SLA로 출력)로 제작된 고정 섹션과, 냉각 채널을 포함하는 교체 가능한 인코넬-625 섹션이다. 이 설계는 서로 다른 스캔 방향을 가진 AM 시료를 신속하게 교체할 수 있게 한다. 장치에는 유동 교란을 최소화하기 위한 수렴-확산 섹션, 일정한 열 입력을 위한 매립형 원통형 히터, 온도 프로파일링을 위한 서미스터가 포함되었다.
• CFD 모델링: 시뮬레이션은 StarCCM+를 사용하여 정상 상태 합치 열전달(conjugate heat transfer) 모델로 수행되었다. 근벽 효과를 해소하기 위해 k-$\omega$ SST 난류 모델이 채택되었다. 90° 빌드 방향의 실험 데이터와 CFD 결과를 상관시키기 위해 등가 모래알 거칠기 모델이 구현되었다.
• 검증 및 불확실성: 실험은 레이놀즈 수($Re$) 범위 1,000에서 4,000 사이에서 수행되었다. 장치를 해체하고 새로운 부품으로 재조립하는 과정을 통해 재현성 테스트를 수행하였다. 반복 테스트로부터 얻은 표준 편차를 바탕으로 Type-A 불확실성 분석이 수행되었다.

주요 기여

1. 교체 가능한 실험 플랫폼: 복잡한 AM 기하 구조에서 표면 효과를 분리해내는 어려움을 해결하기 위해, 동일한 유동 및 열 조건 하에서 여러 AM 표면 방향을 테스트할 수 있는 모듈형 실험 장치를 개발하였다.
2. CFD-실험 상관관계: 모래알 거칠기 모델을 사용하여 CFD 결과를 실험 데이터(특히 90° 빌드 방향)와 성공적으로 상관시키고 이를 검증하였다.
3. 포괄적인 방향 분석: 0°, 45°, 90°의 세 가지 핵심 스캔 방향을 매끄러운 대조군과 함께 체계적으로 조사하여, 빌드 방향이 열 및 유압 성능에 미치는 영향을 비교 분석하였다.
4. 거칠기 모델링 접근법: AM 표면의 복잡한 면적 토포그래피를 CFD 시뮬레이션에서 더 잘 나타내기 위해 $R_a$ 대신 $S_q$(RMS 거칠기)를 적용하였다.

결과

• 열전달 (Nusselt 수): 서로 다른 AM 표면 간에 유의미한 차이가 관찰되었다. 90° 빌드 방향(유동에 수직인 트랙)은 가장 높은 Nusselt 수를 나타내어 우수한 열전달 성능을 보였다. 45° 방향은 중간 정도의 값을 제공했으며, 0° 방향(평행 트랙)은 성능이 저조하여 때때로 매끄러운 대조군보다 낮은 열전달 계수를 나타냈다.
• 압력 강하 및 마찰 계수: 가장 높은 열전달을 보이는 표면(90°)은 가장 높은 압력 강하와 마찰 계수를 동반했다. 45° 방향은 0° 및 매끄러운 표면보다 개선된 열전달을 제공하면서도, 90° 사례에 비해서는 완만한 압력 상승을 보이는 최적의 균형점을 제공했다.
• 유동 영역 의존성: 난류 유동 조건에서 가로 방향 트랙 정렬(90°)이 가장 높은 효율을 보였다. 층류 유동에서는 다양한 표면 간의 Nusselt 수 차이가 덜 뚜렷했다.
• 표면 토포그래피 영향: 본 연구는 용접 트랙과 스패터 퇴적물의 방향이 열전달 및 유체 흐름에 영향을 미치는 지배적인 특징이라고 결론지었으며, 총 표면적의 영향은 층류 및 난류 조건 모두에서 미미한 것으로 나타났다.
• 검증: 실험 결과(Nusselt 수 및 압력 강하)는 CFD 예측값과 밀접하게 일치하였으며, 이를 통해 본 연구의 모래알 거칠기 모델 사용의 타당성을 검증하였다.

의의 및 주장
본 논문은 모든 적층 제조 표면이 본질적으로 높은 열전달율을 제공하는 것은 아니며, 성능은 스캔 방향과 유동 조건에 결정적으로 의존한다는 점을 주장한다. 본 연구는 90° 스캔 방향이 열전달을 극대화하지만, 이는 압력 강하 증가로 인한 상당한 펌핑 동력 요구량이라는 대가를 치른다는 것을 보여준다. 반대로, 45° 방향은 0° 또는 매끄러운 표면 대비 향상된 열전달을 제공하면서도 90° 방향의 극단적인 압력 손실 없이 최적의 절충안을 제시한다.

본 연구는 항공우주 및 전자 냉각과 같이 복잡한 냉각 채널을 필요로 하는 응용 분야에서 AM의 성공적인 산업적 도입을 위해, as-built 표면 거칠기와 열-유체역학적 성능 사이의 관계를 이해하는 것이 필수적임을 강조한다. 검증된 실험 데이터와 견고한 CFD 상관관계 방법을 제공함으로써, 본 연구는 과도한 유압 손실 없이 원하는 열 성능을 달aci하기 위한 AM 빌드 파라미터 최적화 프레임워크를 제시한다.