Influence of Emissivity Calibration on Thermal History and Process–Property Relationships in Arc-Based Directed Energy Deposition

금속 부품을 층층이 쌓아 올리는 방식은 엔지니어들이 제조에 대해 생각하는 방식을 변화시킨 공정입니다. 아크 기반의 직접 에너지 적층(arc-based directed energy deposition)으로 알려진 이 기술은 로봇 팔을 사용하여 용접 토치로 와이어를 녹이고, 이를 한 층씩 쌓아 올려 견고한 구조물을 형성합니다. 이는 중대형 부품을 빠르고 저렴하게 제작할 수 있는 강력한 방법이지만, '열'이라는 숨겨진 위험을 안고 있습니다. 새로운 층이 추가될 때마다, 아래쪽의 금속은 이전 패스에서 발생한 온기를 유지합니다. 이 열이 세심하게 관리되지 않으면 열이 축적되어 금속이 냉각되고 응고되는 방식을 변화시킵니다. 이러한 열 이력(thermal history)은 재료의 내부 구조를 결정하며, 이는 결과적으로 최종 부품이 다리를 지탱할 만큼 충분히 강할지, 아니면 스트레스를 견디지 못하고 파손될 만큼 약할지를 결정합니다. 이를 제어하기 위해 제조업체들은 금속이 냉각될 때의 정확한 온도를 알아야 합니다. 그들은 종종 열을 빛으로 포착하는 적외선 카메라를 사용하여 실시간으로 과정을 관찰합니다. 그러나 이 카메라는 표면이 열을 얼마나 잘 방사하는지를 나타내는 척도인 '방사율(emissivity)'이라는 설정에 의존하는데, 뜨겁고 거친 금속 위에서는 이 값을 정확히 파악하기가 매우 까다롭습니다. 만약 이 설정을 잘못 추측하면 온도 측정값이 크게 어긋날 수 있으며, 이는 부품 제작에 대한 잘못된 결정으로 이어질 수 있습니다.

코임브라 대학교와 코임브라 폴리테크닉 대학교의 연구팀은 이러한 '추측'의 문제를 해결하기 위해 나섰습니다. 그들은 방사율에 대한 잘못된 추측이 금속의 열 이력을 얼마나 왜곡할지, 그리고 궁극적으로 그 왜곡이 부품의 강도에 대한 이해에 어떤 영향을 미칠지 알고 싶었습니다. 이를 확인하기 위해 그들은 로봇 용접 시스템을 사용하여 탄소강으로 된 세 개의 동일한 벽을 제작했습니다. 그런 다음 레이어를 추가하는 사이에 기다리는 시간에 대해 세 가지 서로 다른 규칙을 적용했습니다. 두 개의 벽은 엄격한 온도 제한을 두고 제작되었습니다. 즉, 로봇은 다음 층을 추가하기 전까지 금속이 섭씨 150도 또는 250도로 식을 때까지 기다려야 했습니다. 세 번째 벽은 시간 제한을 두고 제작되었습니다. 로봇은 금속이 실제로 얼마나 뜨거운지와 상관없이 각 층 사이에 정확히 30초를 기다렸습니다.

연구진은 적외선 카메라로 이 벽들이 자라나는 과정을 관찰했지만, 실제 '참값(ground truth)'을 얻기 위해 금속 내부에 아주 작은 온도 센서들을 매립했습니다. 카메라가 보는 모습과 센서의 측정값을 비교함으로써, 그들은 금속의 열 방사 능력이 고정된 숫자가 아니라는 것을 발견했습니다. 대신, 금속이 뜨거워지거나 차가워짐에 따라 이 값은 변했습니다. 그들은 이 설정을 단일한 상수값으로 추측하여 사용하는 것이, 특히 금속이 매우 뜨거울 때 온도 측정에 막대한 오류를 초래할 수 있다는 것을 발견했습니다. 현재 온도에 따라 설정을 조정하는 모델을 만듦으로써, 그들은 측정 오차를 4% 미만으로 줄였습니다. 이 보정(calibration)을 통해 그들은 각 벽의 진정한 열적 이야기를 볼 수 있었습니다.

결과는 전략 간의 극명한 차이를 보여주었습니다. 온도 제한을 두고 제작된 벽들은 일정하고 예측 가능한 리듬으로 냉각되었습니다. 금속이 열을 배출할 충분한 시간을 가졌고, 그 결과 미세하고 균일한 내부 구조를 갖게 되었습니다. 이 벽들은 800도에서 500도까지 떨어지는 데 걸린 시간인 냉각 시간(cooling time)이 약 22~27초로 나타났습니다. 반면, 30초 타이머를 사용해 제작된 벽은 심각한 열 축적을 겪었습니다. 로봇이 금속이 식기를 기다리지 않았기 때문에 온도가 계속 상승하여 결국 섭씨 730도라는 뜨거운 온도에서 안정되었습니다. 금속은 제대로 식을 기회를 얻지 못했으며, 연구진은 상부 층의 표준 냉각 시간을 측정조차 할 수 없었는데, 이는 금속이 500도 아래로 내려가지 않았기 때문입니다.

이러한 열 이력의 차이는 금속의 강도에 직접적이고 측정 가능한 영향을 미쳤습니다. 온도 제어를 통해 제작된 두 벽은 최대 인장 강도가 약 515 메가파스칼(MPa)로 매우 유사하고 강력했습니다. 이들의 내부 결정립(grain)은 작고 촘촘하게 모여 있었습니다. 그러나 30초 타이머로 제작된 벽은 현저히 약했으며, 최대 강도는 470 메가파스칼에 불과했습니다. 금속이 너무 오랫동안 뜨거운 상태를 유지했기 때문에 내부 구조가 거칠고 불균일해졌으며, 큰 결정립이 형성되었습니다. 이 약해진 벽은 약간 더 잘 늘어나는 성질을 보였지만, 견고한 강도는 부족했습니다. 연구는 이 재료에 대해 30초 타이머 방식이 부적절한 전략이며, 단순한 시간 기반 규칙으로는 품질 저하를 막을 수 없다는 결론을 내렸습니다.

아마도 가장 중요한 발견은 잘못된 데이터의 위험성에 관한 것이었습니다. 연구진은 만약 엔지니어가 열 방사 설정에 대해 표준화된, 보정되지 않은 추측치를 사용했다면, 약해진 벽에 대해 완전히 다른 열 이력을 계산했을 것이라고 보여주었습니다. 그들은 금속이 실제로 위험할 정도로 높은 온도에 머물러 있음에도 불구하고, 금속이 정상적인 속도로 식고 있다고 생각했을 수도 있습니다. 이러한 오류는 금속의 특성이 정상이라고 믿게 만들어, 잠재적으로 구조적으로 결함이 있는 부품을 승인하게 만들었을 것입니다. 이 연구는 이러한 유형의 제조가 신뢰성을 갖기 위해서는 적외선 카메라가 변화하는 뜨거운 금속의 특성에 맞춰 정밀하게 조정되어야 함을 입증합니다. 이러한 정밀한 보정이 없다면, 기계가 보는 열과 부품이 가진 강도 사이의 연결 고리는 끊어진 상태로 남게 되며, 엔지니어들은 자신들이 만드는 구조물의 안전성에 대해 추측에 의존할 수밖에 없게 됩니다.