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논문소개
레이저 적층 제조에서는 높은 온도 구배로 인해 종종 거친 입자가 생성됩니다. 전통적인 접촉식-초음파 지원은 입자를 미세화할 수 있지만 두 가지 주요 과제에 직면해 있습니다. 첫째, 인쇄 높이가 증가함에 따라 초음파 에너지가 감소하여 대형 부품 상단에 거친 입자가 생성됩니다. 둘째, 고강도-초음파는 기공 결함을 쉽게 생성하는 캐비테이션 효과를 유발할 수 있습니다.
Northwestern Polytechnical University의 연구팀은 초음파 장치를 노즐과 통합하고 공기 매질을 통해 초음파를 도입하는 비{0}}초음파 기술을 제안했습니다. 이 방법은 순수한 음향 스트리밍 효과를 활용하여 대형 인코넬 718 및 316L 샘플의 전체 높이에 걸쳐 균일하고 조밀한 미세 동축 입자 구조를 달성함으로써 "입자 미세화는 캐비테이션에 의존해야 한다"는 전통적인 믿음을 깨고 강도를 크게 향상시키며 대형 부품의 고르지 못한 미세 구조에 대한 업계의 과제를 해결합니다.
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개요
이 연구의 목표는 초음파를 이용한 적층 제조에서 고르지 않은 미세 구조와 결함 민감성의 병목 현상을 해결하는 것입니다.- 연구팀은 레이저 헤드와 함께 이동하는 비{2}}초음파 시스템을 개발하여 용융 풀이 캐비테이션 임계값 아래에서 일정한 에너지 입력을 받도록 보장했습니다.
실험에 따르면 기존의 접촉식 초음파는 인쇄 높이가 15mm를 초과하면 실패하는 반면, 신기술은 캐비테이션 결함 없이 100mm 높이 내에서 균일한 미세 입자를 유지하는 것으로 나타났습니다. 기계론적 연구에 따르면 저-강도 초음파는 용융 풀에서 고주파-진동 흐름(음향 스트리밍)을 유도하여 성장하는 수상돌기 팔이 피로 파괴를 겪고 새로운 핵을 형성하게 하여 입자를 미세화하는 것으로 나타났습니다. 이 발견은 초음파 결정립 미세화 메커니즘에 대한 학계의 일방적인 이해를 바로잡고-고성능 금속 적층 제조를 위한 보편적이고 신뢰할 수 있는 새로운 접근 방식을 제공합니다.
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예시된 분석
그림 1은 두 가지 기술적 접근 방식을 직접 비교한 것입니다. 그림 (a)는 본 연구에서 제안된 비{2}}모드를 보여줍니다. 여기서 초음파 변환기는 일정한 에너지 입력을 보장하기 위해 노즐과 함께 움직입니다. 그림 (b)는 초음파가 기판을 통해 전달되는 전통적인 접촉 모드를 보여줍니다. 대형-크기 샘플(f-h)의 EBSD 결과에서 접촉 방법(h)이 샘플 상단 부분에서 실패하고 입자가 기둥 구조로 거칠어지는 것을 볼 수 있습니다. 반면 비-접촉 방법(f)은 전체 100mm 높이에 걸쳐 균일하고 미세한 등축 입자를 유지합니다. 또한 그림(i-k)의 기계적 성능 데이터는 비{10}}접촉 방식(LU)이 강도를 크게 향상시킬 뿐만 아니라 데이터 분산이 매우 낮아 공정의 높은 신뢰성을 입증한다는 것을 나타냅니다.
그림 2는 결함 제어에 있어 저강도 초음파의 장점을 강조합니다.- 그림(a-i)의 단일-트랙 클래딩의 형태는 초음파 강도가 높은 범위로 증가함에 따라 캐비테이션 기포의 격렬한 붕괴로 인해 용융 트랙이 심각한 돌출, 구멍 및 심지어 불연속성(i)을 나타냄을 보여줍니다. 대조적으로, 저-강도 초음파(b-e)로 처리된 용융 트랙은 초음파가 없는 상태와 비교하여 부드럽고 연속적인 표면을 갖습니다. CT 스캔 결과(k-p)는 다공성을 더욱 정량화합니다. 고강도{10}}초음파는 다공성을 증가시키는 반면, 이 연구에 사용된 저강도 초음파는 다공성을 거의 증가시키지 않아 인쇄된 부품의 밀도를 높여줍니다.
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요약
1. 비접촉식 저강도-초음파-보조 레이저 적층 제조 기술을 제안하고 성공적으로 적용하여 대형 금속 부품 제조 시 기존 접촉식 고강도 초음파 기술-불균일한 미세 구조 및 내부 결함-의 두 가지 주요 문제를 효과적으로 방지합니다.
2. 기계적 연구를 통해 초음파 결정립 미세화 메커니즘에 관한 학계의 전통적인 일방적 이해를 수정하고, 고주파 진동 흐름이 수상돌기 피로 파괴를 유도하는 순수 음향 스트리밍 효과를 입증하여 상당한 결정립 미세화 및 균질화를 달성했습니다.
3. 이 기술은 인코넬 718 및 316L과 같은 다양한 금속의 적층 가공을 위한 고성능, 일관성이 뛰어난 일반 솔루션을 제공합니다.
4. 연구 결과는 적층 제조 분야에서 실질적으로 가치가 있을 뿐만 아니라 용접 및 클래딩과 같은 용융 풀 응고와 관련된 기타 처리 기술에 대한 중요한 이론적 기초 및 공정 지침을 제공합니다.
