A Study on the Repair Work for Spindle Key with Damaged Part in Planner Miller by Directed Energy Deposition

DED 방식을 적용한 플래너 밀러의 손상된 스핀들 키 보수 작업에 관한 연구

Abstract

In this study, Directed energy deposition (DED) among additive manufacturing is applied to repair damaged spindle key parts of planner miller. The material of the spindle key is SCM415, and the P21 Powder is used. In order to find the optimal deposition conditions for DED equipment, a single-line deposition experiment is conducted to analysis five parameters. The laser power affects the width, and the height is a parameter affected by coaxial gas and powder gas. In addition, laser power, powder feed rate, coaxial gas, and powder gas are parameters that affect dilution. Otimal deposition is that 400 W of laser power, 4.0 g/min of powder feed rate, 6.5 L/min of coaxial gas, 3.0 L/min of powder gas and 4.5 L/min of shield gas. By setting the optimum conditions, a uniform deposition cross section in the form of an ellipse can be obtained. Damage recovery process of spindle key consists of 3D shape design of the base and deposition parts, deposition path creation and deposition process, and post-processing. The hardness of deposited area with P21 powder on the SCM415 spindle key is 336 HV for the surface of the deposition, 260 HV for the boundary area, and 165 HV for the base material.

1. 서론

3D 프린팅은 3차원 CAD 데이터로부터 2차원의 평면데이터를 한 층씩 연속적으로 쌓아 올리는 제조 기술이다[1,2]. 3D 프린팅은 1979년 미국의 R.F. Housholder에 의해 MOLDING PROCESS라는 명칭의 특허로 소개되었다[3]. 3D 프린팅의 공식적인 용어는 적층제조 (Additive manufacturing)이다. 적층제조 기술에 의해 자동차, 우주항공, 건설, 의료, 바이오 등 다양한 분야에서 제조 혁신이 일어나고 있다. 적층제조는 기존 제조방식으로는 제작이 불가능했던 형상난이도가 높은 제품을 단일 공정으로 제작할 수 있다. 디자인에 대한 제한이 없기 때문에 자유로운 디자인을 바탕으로 효율을 극대화시킬 수 있는 형상을 제작할 수 있다[4-9]. 그리고 제품의 내부를 레티스 구조(Lattice structure)로 설계하여 무게를 획기적으로 줄일 수 있다.

적층제조기술은 총 7가지 방식이 있으며 금속과 비금속으로 분류된다. 비금속으로는 4가지 방식, 금속은 3가지 방식이 있다. 금속적층제조 기술의 3가지 방식은 Directed energy deposition (DED), Powder bed fusion (PBF), Sheet lamination이다[10,11]. 이 중 DED와 PBF 방식이 가장 활발하게 연구되고 있다. DED 방식은 용접과 비슷하다고 할 수 있는데, 분말을 공급하는 동시에 레이저로 용융시켜 적층하는 기술이다[11-13]. DED 방식은 파손되어 교체되어야 하는 부품을 파손 부분을 적층하여 재사용 할 수 있다는 장점이 있다. 그래서 수명이 오래되어 교체가 필요한 장비의 부품을 수리하여 재사용하는 재제조 산업에 적용되어 그 범위가 확대되고 있다. 재제조는 수명이 다한 제품이나 부품을 분해, 세척, 검사, 보수·조정, 재조립 등 일련의 과정을 거쳐 신품에 가까운 성능으로 회복하여 재상품화하는 것으로 높은 부가가치를 창출할 수 있는 산업으로 평가되어 미국, 유럽 등 기술 선진국에서 널리 시행되고 있다. 재제조 산업은 공작기계는 대형구조물이 주로 적용되면서 그 효과를 크게 얻고 있다. 고가의 노후된산업기계의 재사용을 위해서 파손된 부품을 DED를 통한 적층제조 기술을 통해 파손된 부분의 표면을 복구하고 있다.

본 연구에서는 대형 공작기계 플래너 밀러(Planner Miller)에 사용되는 스핀들 키(Spindle key)을 대상으로 기계적 손상 부분에 대한 복구를 위하여 손상, 파손 특성 분석을 하였다. 손상복구를 위하여 DED 제조장비의 적층 공정 변수를 분류하고 최적의 변수를 도출하였다. 3차원 측정기를 활용하여 손상 부위 형상과 기본형상에 대해 비교하였으며, 기저부 및 적층부에 대한 3D 형상 설계를 수행하였다. SCM415 소재인 스핀들 키에 P21 분말 적용하여 DED 제조 장비로 적층 작업을 시행 및 유한요소법 기반 해석을 수행하였다.

2. 실험 방법

2.1 실험 장비

손상부분 복구 작업에 사용되는 DED 적층방식은 레이저 등의 열원을 이용하여 소재를 누적하고자 하는 위치에 기존의 소재를 녹여 용융영역을 형성한다. 분말을 주입하여 줌으로써 하나의 점을 형성하고 이를 평면 방향 및 수직 방향으로 이동시켜 입체를 성형하는 방식이다 [5]. 실험에 사용된 DED 방식의 적층 장비는 INSSTEK사의 MX-450이며, Numerical Control (NC) 방식으로 제어되므로 제조, 유지, 보수에 적합한 장비이다. Directed Metal Tooling (DMT) mode를 적용하였다. DMT mode로 비전카메라 2대를 이용하여 적층높이를 분석하고, 레이저 파워를 실시간 조정으로 볼륨의 높이를 최적화한다. Fig. 1은 실험에 사용된 DED 적층제조 장비를 나타낸다.

Fig. 1 Equipment of directed energy deposition.

2.2 실험 재료

DED의 DMT 모드에 적용된 분말은 저탄소강으로 금형 소재로 주로 사용되는 P21이다. Table 1은 실험에 사용된 P21 분말의 합금 성분을 나타낸다. 철을 기반으로 니켈, 알루미늄이 주 조성이다. Fig. 2는 P21 분말을 SEM으로 측정한 이미지를 나타낸다. 사용된 P21 분말의 입자크기는 50~130 ㎛이다.

Table 1. chemical compositions of P21 powder

Fig. 2 SEM image of P21 powder

2.3 최적의 적층 조건

DED 방식의 최적 적층 조건을 선정하기 위하여 적층부의 주요 품질 요소에 대한 적층 파라메타를 지정하였다. 적층부의 품질 요소는 Fig. 3과 같이 적층된 단면의 적층 폭, 적층 깊이, 용입 깊이이다.

Fig. 3 Schematic diagram of dimensions for deposition cross-section

적층 파라메터는 품질에 영향을 주는 인자로서 Laser power, Powder feed rate, Coaxial gas, Powder gas, Shield gas인 5개이다. 레이저 출력에 의한 적층은 defocusing zone에서 이루어지고 focusing을 조정하여 Laer power를 증감시킨다. Laser power 크기는 defocusing에 의한 Laser spot의 크기가 커짐을 의미한다. 에너지밀도가 커지므로 더 많은 분말을 가져오게 되므로 적층부 크기가 증가하게 된다. 실험계획법으로 5개 인자에 대한 수준을 2개로 지정하고, 직교 배열표L₈(2⁷)를 활용하여 8번의 실험을 진행하였다. Table 2는 실험계획법으로 설정된 8가지 실험방법에 대한 조건이다.

Table 2. Experimental order for selecting optimal deposition condition

스핀들 키의 소재는 SCM415이다. Fig. 4와 같이 SCM415 소재로 직사각형의 시편을 제작하여 표면 위에 P21 분말을 적층하였다. 각 실험조건당 총 3회 반복 적층하였다. 적층부를 절단하고, 단면을 연마 및 에칭 작업을 수행하였다. 적층 단면의 미세조직을 측정하였으며, 적층 폭, 적층 깊이, 용입 깊이의 치수를 측정하였다. 실험조건당 3회 반복실험에 대한 단면의 형상 및 치수 값이 일정한 조건을 최적조건을 선별하였다.

Fig. 4 Deposition method for selecting optimal condition

2.4 손상부 적층 공정

DED 방식의 손상 부분에 대한 복구를 위하여 형상설계 과정을 세단계로 나누어 진행하였다. 첫 번째 단계에서는 플래너 밀러 스핀들 키에 대한 손상 및 파손 모드 도출을 중점으로 파손된 형상의 데이터 분석 및 비파괴 검사를 실시한다. 두 번째 단계에서는 스핀들 키 손상부에 대한 역설계 단계이다. 이 단계에서는 3D 데이터 수집 및 분석을 중점으로 기저부 및 적층부 분리를 위한 역설계를 진행한다. 마지막 단계는 불규칙 손상복구를 위한 손상부분의 형상설계 단계이다. 이 단계에서는 전처리과정을 통해 손상부분 적층을 위한 손상·파손 부위를 제거하고 기저부 및 적층부에 대한 기능적 형상 분리 설계를 수행한다.

형상설계 과정을 수행한 후에는 스핀들 키에 대한 적층 경로를 생성한다. 최적의 적층 조건을 적용하여 스핀들 키의 손상부위를 적층한다. 마지막으로 후처리 공정을 시행한다. 스핀들 키의 손상 부분을 경계로 원소재인 SCM415 영역과 적층부의 소재인 P21 영역에 대하여 비커스 경도를 측정하였다.

3. 실험 결과

3.1 적층 폭, 적층 깊이, 용입 깊이의 최적값

Table 2의 다섯 가지 파라미터에서 Laser power는 적층 시 용융풀 생성을 위한 레이저 출력 크기에 영향을 미치며, Powder feed rate는 금속 분말의 분당 배출량, Coaxial gas는 용융풀 생성 시 냉각 및 레이저 노즐 역류 방지, Powder gas는 분말 공급 가이드, Shield gas는 냉각 및 외부 이물질 차단을 한다. Table 2의 8가지 실험으로 진행된 적층부의 단면 형상을 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5 Cross section of deposition

Table 3은 Fig. 5의 적층부 단면 형상에 대하여 측정된 적층 폭, 적층 깊이, 용입 깊이에 대한 치수 데이터이다. 분석된 결과로부터 적층 폭에 영향을 미치는 파라미터는 Laser power이며, 적층 높이에 영향을 미치는 파라미터는 Coaxial gas, Powder gas이다. 그리고 용입 깊이에 영향을 미치는 파라미터는 Laser power, Powder feed rate, Coaxial gas, Powder gas인 것을 알 수 있다. 5가지 파라미터에 대한 8가지 실험으로부터 다른 실험조건에 비교해서 적층 폭, 적층 깊이, 용입 깊이에 대한 가장 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있는 조건은 4번째이다. 4번째 실험조건은 Laser power가 400 W, Powder feed rate가 4.0 g/min, Coaxial gas가 6.5 L/min, Powder gas가 3.0 L/min, Shield gas는 4.5 L/min이다. 이 조건으로 적층하면 0.87 mm의 적층 폭, 0.12 mm 적층 깊이, 0.08 mm의 용입 깊이의 단면을 형성할 수 있다. 뿐만아니라 균일한 타원 형태의 단면 형상으로 적층할 수 있다.

Table 3. Dimensions of width, hight and dilution for deposition cross-section (unit: mm)

3.2 손상 복구 형상 설계 및 적층

플래너 밀러의 장기간 사용으로 인한 손상된 스핀들 키의 형상을 Fig. 6(a)에 나타내었다. 손상 부품에 대한 파손 특성을 분석하기 위한 내·외부 검사를 수행하였다. 내부 손상 유형은 비파괴검사인 방사선투과검사 및 자분탐상검사를 실시하였고, 외부 손상 유형에 대해서는 대상부품 설계도면과 3차원 측정기를 활용하여 획득한 3D 데이터의 상호 비교를 통한 변형량 검사를 실시하였다. 검사 결과로 내부 손상은 없으며 마멸에 의한 외부 손상이 확인되었다. 전체적인 손상 및 파손 부위는 상부 좌·우측 최대 -5.62mm 손상이 나타났으며, 손상부를 제외한 전체적인 외형(X,Y,Z 축) 변형은 미비하다. Fig. 6(b)는 생성된 기저부 모델에 대한 3D 형상 및 2D 도면이다.

Fig. 6. Planner miller spindle key with fracture defects: (a) real sample and (b) 3D and 2D drawing.

적층제조 공정에 필요한 가공경로를 생성하기 위해서는 CAD/CAM 과정이 필요하며 이를 통한 형상 설계가 요구된다. 따라서 3차원 측정기를 활용하여 수집한 3D 스캐닝 데이터를 이용하여 역설계를 수행하였다. 3D 스캐닝 데이터와 역설계 모델에 대해 상호 비교를 통하여 최종 3D 형상모델을 선정하였다. 역설계 모델을 통해 손상부 최적 제거 조건을 선정하고, 손상·파손부위가 제거된 기저부 및 적층부의 기능적 형상분리 설계를 진행하였다. 생성된 적층부 모델은 Fig. 7(a)이며, 적층이 완료된 가상 모델은 Fig. 7(b)이다.

Fig. 7 (a) 3D and 2D drawing of deposition part and (b) 3D model of deposited spindle key

CAM 적층 결로를 생성하여 손상부의 적층을 진행하였으며, 후가공 공정을 통해 스핀들 키의 본래 형상대로 복구를 하였다. Fig. 8(a)은 DED 방식으로 적층이 완료된 스핀들 키이며, Fig. 8(b)는 후가공 처리된 스핀들 키이다.

Fig. 8 (a) deposited spindle key and (b) post processed spindle key.

DED 전용 해석 프로그램인 SYSWELD를 이용하여 열영향 및 기계적 성질에 대한 해석을 수행하였다. 실험결과로부터 얻은 최적의 적층 조건인 Table 2의 4번 조건을 적용하였다. 단일 방향 반복 패턴으로 적층 경로를 생성하며, 고정 장치 지그에 접촉된 영역만큼 해석 모델에서 구속 조건을 부여하였다. Fig. 9는 기저부 및 적층부 경계영역에서의 잔류 응력, 변위, 경도 값에 대한 해석결과이다. 적층 공정을 완료한 후 완전한 응고가 이루어졌을 때를 기준으로 잔류 응력을 분석하였다. Fig. 9(a)에서 볼 수 있듯이 적층부를 기준으로 하단 약 6 mm 떨어진 기저부에서 잔류 응력 값이 최대인 347.94 MPa이다. Fig. 9(b)는 변위에 대한 해석결과로서 적충부 상단의 비드 형상에서 큰 변위가 발생되었다. 이는 냉각과정에서 수축 현상이 일어난 것으로 판단된다. 최대 변위 값은 0.46315 mm이다. Fig. 9(c)는 경도에 대한 해석결과이다. 시편 표면에 대해 일정한 간격으로 수평 방향으로 경도 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 적층부의 표면은 최대 경도값으로 346.8 HV이다. 경계영역은 210~270 HV이며, 기저부는 165 HV 이다. 열영향부는 조직의 변태로 인해 최대 경도가 적층부보다 높다. 이러한 차이는 적층부의 반복적인 용융 및 냉각으로 금속 조직이 경한 조직이 생성되었기 때문으로 여겨진다.

Fig. 9 Simulation results: (a) residual stress, (b) displacement and (c) hardness.

Table 4는 SCM415 소재의 스핀들 키에 P21 소재가 적층된 영역의 비커스 경도 값이다. 비커스 경도기로 측정된 값은 해석 결과와 유사하다. 적층부 표면의 경도 값은 336 HV, 경계영역은 260 HV, 모재는 165 HV이다.

Table 4 Vicker’s hardness of SCM415 spindle key deposited to P21

4. 결론

본 연구에서는 플래너 밀러 공작기계의 손상된 스핀들 키 부품을 보수 작업하고자 DED 방식의 적층제조 공정을 적용하였다. 연구에 대한 결과는 다음과 같다.

1) DED 장비의 주요 파라미터인 Laser power를 400 W, Powder feed rate를 4.0 g/min, Coaxial gas를 6.5 L/min, Powder gas를 3.0 L/min 그리고 Shield gas를 4.5 L/min의 값을 설정하여 적층하면 타원 형태의 균일한 적층 단면을 얻을 수 있다. 적층된 단면의 적층 폭은 0.87 mm, 적층 깊이는 0.12 mm, 용입 깊이는 0.08 mm이다.

2) DED 방식의 손상 복구 공정은 첫 번째로 손상부의 손상 및 파손 모드 도출, 3D 형상 설계, 기저부 및 적층부의 형상 설계로 공정설계가 이루어진다. 두 번째는 적층 경로를 생성하고 경로를 따라 적층공정이 이루어진다. 세 번째는 후가공 처리로 원래의 형상으로 복구가 이루어진다.

3) SCM415 소재인 스핀들 키에 P21 분말로 적층된 영역의 경도 값은 적층부 표면은 336 HV, 경계영역은 260 HV, 모재는 165 HV이다. SYSWELD 해석 프로그램에서 도출된 값도 실제값과 유사하다.