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Experimental Investigation and Process Window Development in ER70S-6 DED-Arc Additive Manufacturing

본 연구는 170개의 단일 비드 증착 실험을 통해 안정적인 증착 한계를 정의하고, 속도비가 비드 기하학적 형상을 정확하게 예측함을 입증하며, 다층 시험을 통해 선택된 매개변수의 반복성을 확인함으로써 ER70S-6 DED-Arc 적층 제조를 위한 공정 윈도우를 실험적으로 확립하고 검증한다.

원저자: Shafi Uddin, Mohsen Amraei, Ashish Ganvir, Antti Salminen

게시일 2026-09-18

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CC BY 4.0

원저자: Shafi Uddin, Mohsen Amraei, Ashish Ganvir, Antti Salminen

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

현대 제조 분야에서는 전통적인 방식의 낭비와 경직성을 탈피하여 크고 복잡한 금속 부품을 제작해야 할 필요성이 커지고 있습니다. 이를 실현하는 한 가지 방법은 직접 에너지 적층(directed energy deposition)이라는 기술인데, 이는 강력한 용접 아크를 사용하는 3D 프린터가 플라스틱 노즐 대신 금속 와이어를 녹여 층층이 쌓아 올리는 방식입니다. 이 기술이 제대로 작동하기 위한 핵심은 냉각되는 용융 금속의 형상을 제어하는 것입니다. 금속 웅덩이가 너무 뜨겁거나 이동 속도가 너무 느리면 너무 넓게 퍼지거나 너무 깊게 가라야 하며, 반대로 너무 차갑거나 이동 속도가 너무 빠르면 거칠고 불안정한 능선 형태로 쌓이게 됩니다. 엔지니어들의 목표는 매번 매끄럽고 단단한 금속 비드(bead)를 만들어내어 최종 구조물이 강하고 숨겨진 결함이 없도록 보장하는 정밀한 설정 조합을 찾는 것입니다.

핀란드 투르쿠 대학교의 연구팀은 건설 및 산업 분야에서 흔히 사용되는 ER70S-6라는 특정 유형의 강철 와이어에 대해 이러한 정확한 조건들을 지도화하는 작업을 수행했습니다. 그들은 추측에 의존하는 것을 넘어, 운영자에게 어떤 설정이 작동하고 어떤 설정이 실패할지를 정확히 알려주는 신뢰할 수 있는 가이드, 즉 '공정 창(process window)'을 만들고자 했습니다. 이를 위해 연구진은 강철판 위에 170개의 단일 용융 금속 선을 적층하는 방대한 일련의 실험을 진행했습니다. 그들은 전기 아크의 전압, 불꽃 속으로 와이어가 공급되는 속도, 그리고 토치가 플레이트 위를 이동하는 속도라는 세 가지 주요 제어 변수를 체계적으로 변화시켰습니다 공정의 모든 조합을 테스트함으로써, 그들은 언제 공정이 안정적으로 유지되고 언제 스패터(spattering), 구멍 또는 불균일한 형상과 같은 결함이 발생하기 시작하는지를 정확히 관찰할 수 있었습니다.

연구진은 공정의 안정성이 전압에 크게 의존한다는 사실을 발견했습니다. 낮은 전압에서는 좋은 결과를 만들어내는 설정 범위가 마치 연필을 끝으로 세우려는 것처럼 매우 좁았습니다. 그러나 전압을 높임에 따라 '안전 지대'가 눈에 띄게 넓어져, 와이어 속도와 이동 속도의 훨씬 넓은 범위가 오류 없이 함께 작동할 수 있게 되었습니다. 그들은 전압이 22에서 24볼트 사이인 높은 구간에서 가장 견고한 결과가 나타난다는 것을 발견했는데, 이 구간에서는 기계가 다양한 속도를 처리하면서도 깨끗하고 단단한 금속을 생산할 수 있었습니다.

금속이 실제로 어떻게 형성되는지를 살펴보았을 때, 연구팀은 아크에 공급되는 와이어의 양이 비드의 크기를 결정하는 주요 동력임을 발견했습니다. 와이어 공급 속도를 높이면 동일한 공간에 더 많은 재료가 투입되므로 비드가 더 높고, 넓고, 깊어집니다. 반대로 토치를 더 빠르게 움직이면 열과 재료가 더 긴 거리에 걸쳐 분산되기 때문에 비드는 더 작고 납작해집니다. 흥-미롭게도 전압은 다르게 작용했는데, 비드를 더 높거나 깊게 만들지는 않았지만, 비드를 현저히 더 넓고 납작하게 만들어 부피를 조절하기보다 퇴적물의 형상을 효과적으로 변화시켰습니다.

가장 중요한 발견 중 하나는 단순히 금속에 가해진 에너지의 양을 아는 것만으로는 최종 형상을 예측하기에 충분하지 않다는 것이었습니다. 서로 다른 두 가지 설정이 정확히 같은 양의 열을 전달하더라도, 완전히 다른 너비와 높이를 가진 비드를 만들어낼 수 있었습니다. 이는 에너지만으로는 기하학적 형상을 예측하는 완벽한 지표가 될 수 없음을 입증했습니다. 대신, 연구진은 와이어가 공급되는 속도와 토치가 이동하는 속도 사이의 비율이 훨씬 더 신뢰할 수 있는 지표라는 것을 발견했습니다. 이 비율을 일정하게 유지하면 사용된 특정 전압에 관계없이 결과물인 비드의 크기를 예측 가능하게 유지할 수 있었습니다.

실제 상황에서도 이러한 결과가 유효한지 확인하기 위해, 연구팀은 최적의 설정을 선택하여 5층 구조물을 제작했습니다. 그들은 단일 비드는 일관적이었으나, 이를 쌓아 올릴 때는 약간의 조정이 필요하다는 것을 발견했습니다. 즉, 금속이 아래층과 제대로 융합되도록 각 새로운 층의 높이를 약간 낮추어야 했습니다. 이 연구는 엔지니어들이 이러한 구체적인 관계를 이해함으로써, 과거에 이 기술을 숙달하기 어렵게 만들었던 결함들을 피하며 확신을 가지고 거대한 금속 부품을 제작할 수 있는 적절한 전압, 와이어 속도, 이동 속도의 조합을 선택할 수 있게 해준다는 결론을 내렸습니다.

기술 요약: ER70S-6 DED-Arc 적층 제조의 실험적 조사 및 공정 창(Process Window) 개발

문제 제기
아크 기반 직접 에너지 적층(DED-Arc) 방식은 중등도 복잡성을 가진 대형 금속 부품을 제조하는 데 있어 비용 효율적인 방법이지만, 업계에는 ER70S-6 강재에 대해 체계적으로 실험 검증된 공정 창이 부족한 실정이다. 기존 문헌들은 작은 데이터 세트, 좁은 파라미터 범위 또는 단일 레이어 증착에 의존하는 경우가 많으며, 이는 스패터(spatter), 불량 습윤(wet-ting), 기공(porosity), 불규칙한 비드 프로파일과 같은 결함이 발생하기 시작하는 구체적인 임계 조건을 정의하지 못한다. 결과적으로, 결함 없는 증착을 일관되게 생성할 수 있는 전압, 와이어 송급 속도(WFR) 및 공정 속도(PS)의 조합을 선택하기 위한 확립된 가이드라인이 없다. 본 연구는 이러한 격차를 해소하기 위해 ER70S-6 DED-Arc의 안정적인 작동 한계를 매핑하고 공정 창을 정의함으로써 이 문제를 해결한다.

연구 방법
본 연구는 공정 파라미터가 비드 기하학적 형상에 미치는 영향을 조사하기 위해 체계적인 절단된 전요인 실험 설계(truncated full-factorial experimental design)를 채택하였다.

실험 설정: 연구에는 1.2 mm ER70S-6 충전재 와이어를 12 mm 연강 기판 위에 증착하는 GMAW 기반 DED-Arc 시스템(ESAB AristoMig 500)이 사용되었다. 보호 가스는 84% Ar 및 16% CO2로 구성되었다.
파라미터: 조사는 5개의 전압 레벨(16, 17, 20, 22, 24 V), 11개의 WFR 레벨(2.0 ~ 7.0 m/min), 그리고 5개의 공정 속도(2, 5, 8, 11, 14 mm/s)를 다루었다.
데이터 수집: 총 170개의 단일 비드 증착물이 제작되었다. 열적 일관성을 보장하기 위해, 기판 온도를 50°C 미만으로 유지하기 위해 증착 사이에 최소 5분의 냉각 간격을 유지하였다.
제외 기준: 가시적인 스패터, 기공, 불규칙한 프로파일 또는 90° 이상의 접촉각(불량 습윤을 나타냄)을 보이는 비드는 기하학적 분석에서 제외 및 탈락되었다.
검증: 선택된 안정적인 파라미터 조합은 누적된 열 조건 하에서의 기하학적 반복성을 평가하기 위해 5층 증착 시험을 통해 검증되었다.
분석: 비드 기하학적 형상(폭, 높이, 침투 깊이, 접촉각)은 Bruker Alicona 광학 3D 시스템을 사용하여 측정되었다. 관계식은 회귀 분석을 통해 분석되었으며, 입열량( $Q$ ) 및 속도비( $SR = WFR/PS$ )에 대해 매핑되었다.

주요 결과

공정 창 정의: 각 전압 레벨에 대한 안정적인 증착 창이 성공적으로 매핑되었다. 연구 결과, 높은 전압(20–24 V)이 안정적인 작동 영역을 유의미하게 확장하여 더 넓은 범위의 증착률과 공정 속도를 허용한다는 것을 확인하였다. 반대로, 낮은 전압(16–17 V)은 결함 발생 가능성이 높은 좁은 안정 대역을 형성하였다.
파라미터 영향:
- 와이어 송급 속도(WFR) 및 전류: 두 변수는 모두 비드 높이, 폭 및 침투 깊이와 강력한 근사 선형 양의 상관관계를 보였다( $R^2 \approx 0.91–0.95$ ). 사용된 시너지 제어 모드 하에서 전류와 WFR은 단일 체적 입력으로서 작용한다.
- 공정 속도: 공정 속도가 증가함에 따라 비드 높이, 폭 및 침투 깊이가 선형적으로 감소하였다. 높이는 폭보다 더 빠르게 감소하여 더 평평한 비드 프로파일을 형성하였다.
- 전압: 전압은 주로 형상 및 습윤 제어 역할을 하였다. 전압이 증가하면 비드 폭이 유의미하게 넓어지고 접촉각이 감소하여(범위 내에서 25–30° 감소) 비드가 더 평평해졌다. 그러나 비드 높이와 침투 깊이는 전압 변화에 상대적으로 둔감했다.
접촉각 거동: 접촉각은 WFR 및 전류와는 약한 상관관계를 보였으나, 전압과는 더 강한 상관관관계를 보였다. 측정된 접촉각의 약 94%가 90° 임계값 미만이었으며, 대다수(51%)는 30°와 40° 사이에 위치하였다.
입열량 대비 기하학적 형상: 입열량이 비드 높이( $R^2 = 0.87$ ) 및 폭( $R^2 = 0.74$ )과 상관관계가 있었으나, 본 연구는 단일 입열량 상관관계만으로는 비드 기하학적 형상을 완전히 설명하기에 불충분하다는 것을 입증하였다. 동일한 입열량을 생성하는 서로 다른 파라미터 조합들이 서로 다른 비드 형태를 생성하였다.
속도비(SR): 속도비( $WFR/PS$ )가 비드 기하학적 형상을 위한 신뢰할 수 있는 제어 변수로 식별되었다. SR과 유효 비드 폭(EBW) 및 평균 비드 높이(ABH) 사이에 선형 상관관계가 확립되었으며, 전압은 체계적인 오프셋(offset) 역할을 하였다. 이를 통해 동일한 목표 벽 두께를 달성하기 위한 다수의 파라미터 세트를 설정할 수 있다.
다층 검증: 5층 증착 시험을 통해, 융합을 보장하기 위해 레이어 스텝 높이를 단일 비드 높이의 70%로 조정할 경우, 열 축적 하에서도 단일 비드에서 관찰된 기하학적 경향이 재현 가능하다는 것이 확인되었다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 전압, WFR 및 공정 속도의 임계 한계를 명시적으로 정의함으로써, ER70S-6 DED-Arc에 대한 최초의 실험적으로 검증된 공정 창을 제공한다고 주장한다. 본 연구의 주요 기여는 시각적 및 미세 구조적 결함 기준을 바탕으로 안정적인 공정과 불안정한 공정 영역을 구분하는 프레임워크를 구축한 것이다.

본 논문은 입열량이 유용한 유도 파라미터이기는 하나, 정밀한 기하학적 예측을 위해 개별 공정 변수(WFR, PS, 전압)를 제어해야 할 필요성을 대체할 수는 없다고 단언한다. 대신, 본 연구는 속도비가 비드 치수를 제어하기 위한 견고한 제어 레버 역할을 하는 반면, 전압은 비드 형상 및 습윤을 제어하는 별도의 레버 역할을 한다고 제안한다. 이러한 결과는 비드 치수를 제어하기 위한 공정 파라미터 선택과 관련 산업 분야의 구조적 응용을 위한 DED-Arc 절차 개발을 지원하는 실질적인 기초를 제공한다.

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