Multi-material powder feeding through a dual-channel coaxial nozzle for laser metal deposition: Numerical simulation and experimental study

단 하나의 기계가 겉은 단단하고 내마모성이 높으면서도, 속은 인성과 유연성을 갖춘 부품을 단 한 번의 연속적인 공정으로 만들어낼 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것이 바로 레이저 금속 적층(laser metal deposition)이라 불리는 기술이 약속하는 바입니다. 이 공정에서는 고출력 레이저가 금속 분말을 미세한 용융 금로 속으로 불어 넣으며 녹여서, 디지털 설계로부터 직접 층을 쌓아 올리며 부품을 만듭니다. 수년 동안 엔지니어들은 이 방법을 사용하여 단일 종류의 금속으로 부품을 제작해 왔습니다. 하지만 현실 세계는 그렇게 단순하지 않습니다. 터빈 블레이드는 끝부분에서 극한의 열을 견디면서도 밑부분 근처에서는 유연성을 유지해야 할 수도 있고, 의료용 임플란트는 뼈와 잘 결합하는 표면과 동시에 무거운 하중을 지탱할 수 있는 중심부를 필요로 할 수도 있습니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 과학자들은 오랫동안 인쇄 과정 중에 서로 다른 금사들을 혼합하려고 시도해 왔습니다. 문제는 항상 제어였습니다. 어떻게 하면 두 종류의 분말이 녹기 전에 한 종류의 분말이 경로를 벗어나거나 뭉치지 않고, 즉각적이고 균일하게 섞이도록 완벽하게 혼합할 수 있을까요?

중국 난창 대학교의 연구팀은 금속 분말을 레이저 빔 쪽으로 유도하는 장치인 노즐을 새롭게 설계함으로써 이 문제를 해결했습니다. 기존처럼 기계에 들어가기 전 호퍼(hopper)에서 분말을 미리 섞는 대신, 이들의 새로운 설계는 두 종류의 분말을 마지막 순간까지 분리된 상태로 유지합니다. 그들은 본질적으로 관 안에 관이 들어 있는 형태인 이중 채널 동축 노즐을 제작했습니다. 내부 관은 한 종류의 금속 분말을 운반하고, 외부 링은 다른 종류의 분말을 운반합니다. 두 흐름은 동일한 지점을 향해 동시에 발사됩니다. 목표는 무게와 모양이 서로 달라 자연스럽게 다르게 행동하는 이 두 개의 별개 흐름을, 용융 금속에 닿기 직전에 강제로 수렴시켜 균일하게 혼합할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

이 노즐을 만드는 최적의 방법을 파악하기 위해, 연구진은 먼저 컴퓨터 시뮬레이션에 의존했습니다. 그들은 가스와 분말의 흐름을 나타내는 가상 모델을 만들어 다양한 모양과 각도가 흐름에 어떤 영향을 미치는지 테스트했습니다. 그들은 관의 크기와 관이 향하는 각도가 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. 만약 관이 너무 넓으면 분말이 너무 많이 퍼져 초점을 잃게 됩니다. 만약 각도가 잘못되면 두 흐름이 서로 엇갈리거나 서로 다른 거리에서 수렴하여 혼합이 엉망이 될 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션을 통해, 연구진은 내부 채널의 각도는 70도, 외부 채널의 각도는 60도가 되어야 하며, 두 관의 직경은 모두 0.8밀리미터여야 한다는 것을 결정했습니다. 또한 내부 관의 출구가 노즐 중심에서 3밀리미터 떨어져 있어야 하며, 외부 관은 내부 관으로부터 불과 1밀리미터 떨어져 있어야 한다는 것도 계산해 냈습니다. 이러한 특정 치수들이 두 분말이 만나는 가장 조밀하고 집중된 지점을 만들어낸다는 것을 그들은 찾아냈습니다.

컴퓨터 모델이 최적화된 후, 연구팀은 실제 프로토타입 노즐을 제작하여 테스트에 착수했습니다. 그들은 설계가 이 도전을 감당할 수 있는지 확인하기 위해 TC4로 알려진 티타늄 합금, 몰리브덴, 구리라는 세 가지 매우 다른 금속을 선택했습니다. 이 재료들은 밀도와 모양 면에서 상당한 차이가 있습니다. 티타늄과 몰리브덴 분말은 거의 완벽한 구형이었던 반면, 구리 분말은 불규칙하고 들쭉날쭉했습니다. 고속 카메라를 사용하여 연구진은 분말이 노즐에서 뿜어져 나오는 모습을 관찰했습니다. 영상은 이러한 차이에도 불구하고 두 분말 흐름이 함께 이동하며 정확히 같은 공간의 지점에서 만나는 것을 보여주었습니다. 티타늄과 구리를 혼합했을 때, 금속의 뚜렷한 색상 덕분에 실시간으로 혼합되는 모습을 볼 수 있었습니다. 은회색의 티타늄과 적갈색의 구리는 수렴 지점에서 매끄럽게 섞였으며, 한 종류가 다른 종류 위에 층을 이루거나 별도의 더미로 뭉치는 징후는 보이지 않았습니다.

연구진은 이 혼합이 실제 제조 환경에서 작동하는지 증명하기 위해, 이 노즐을 사용하여 샘ile 부품을 제작했습니다. 그들은 내부 채널을 통해 티타늄 합금을 공급하고 외부 채널을 통해 몰리브덴을 공급하여, 10개 층 높이의 단일 트랙을 만들었습니다. 부품이 제작된 후, 그들은 현미경으로 단면을 절단하여 관찰했습니다. 결과는 명확했습니다. 몰리브덴은 티타늄와 마찬가지로 전체 구조에 걸쳐 균일하게 분포되어 있었습니다. 한 금속이 바닥에 가라앉거나 위로 떠올랐음을 나타내는 어둡거나 밝은 부분은 없었습니다. 이는 분말이 녹기 전에 공기 중에서 철저히 혼합되어, 서로 매우 다른 두 재료의 균일한 혼합물을 만들어냈음을 확인시켜 주었습니다.

이 연구는 분말 흐름의 경로를 정밀하게 설계함으로써, 서로 다른 금속을 레이저 빔에 전달하고 사전 혼합 없이도 완벽한 혼합을 달una할 수 있음을 입증합니다. 이 접근 방식은 맞춤형 특성을 가진 복잡한 부품을 제작하기 위한 새로운 수준의 제어력을 제공합니다. 연구진은 적절한 노즐 기하학적 구조가 있다면, 무겁거나 가볍고, 둥글거나 들쭉날쭉한 분말 사이의 자연스러운 차이가 장벽이 될 필요가 없음을 보여주었습니다. 대신, 이러한 차이를 관리함으로써 재료의 장점들을 결합한 일관되고 고품질인 재료를 생산할 수 있으며, 이는 향후 더 발전되고 적응력이 뛰어난 금속 부품을 만드는 길을 열어줍니다.