연구자들은 아직 금속의 적층 가공, 즉 3D 프린팅을 과학으로 완전히 발전시키지 못했습니다. 공정 중 금속 내부에서 일어나는 일에 대한 이해의 격차로 인해 결과가 일관되지 않았습니다. 그러나 새로운 돌파구는 금속 3D 프린팅에 대한 전례 없는 수준의 숙달을 가능하게 할 수 있습니다.

NIST(국립표준기술연구소), 스웨덴 KTH 왕립기술연구소 및 기타 기관의 연구원들은 두 개의 서로 다른 입자 가속기 시설을 사용하여 3D 프린팅 중에 강철이 녹았다가 굳어지는 과정의 내부 구조를 관찰했습니다. Acta Materiali 에 발표된 연구 결과는   3D 프린팅 전문가를 위한 컴퓨팅 도구를 제공하여 인쇄된 부품의 특성을 예측하고 제어할 수 있는 더 큰 능력을 제공하여 잠재적으로 대규모 제조를 위한 기술의 일관성과 타당성을 향상시킵니다   .

금속 조각을 프린팅하는 일반적인 접근 방식은 기본적으로 분말 금속 풀을 레이저로 층별로 용접하여 원하는 모양으로 만드는 것입니다. 재료가 급속히 가열되고 냉각되는 금속 합금으로 인쇄하는 첫 번째 단계에서 원자(다른 원소로 구성될 수 있음)는 규칙적인 결정체 형태로 채워집니다. 결정은 인쇄된 부품의 인성 및 내식성과 같은 특성을 결정합니다. 다양한 결정 구조가 나타날 수 있으며 각각에는 장단점이 있습니다.

"기본적으로 인쇄 공정의 초기 단계에서 미세 구조를 제어할 수 있다면 원하는 결정을 얻을 수 있으며 궁극적으로 적층 제조 부품의 성능을 결정할 수 있습니다"라고 연구 공동 저자인 NIST 물리학자 Fan Zhang이 말했습니다.

인쇄 공정은 재료를 덜 낭비하고 전통적인 제조 방법보다 더 복잡한 모양을 생산하는 데 사용될 수 있지만, 연구자들은 금속을 다른 결정보다 특정 종류의 결정 쪽으로 조종하는 방법을 파악하기 위해 고심해 왔습니다. 

이러한 지식 부족으로 인해 결정 구조로 인해 복잡한 모양의 부품이 조기에 균열되는 등 바람직하지 않은 결과가 발생했습니다. 

Zhang은 “일반적으로 제조되는 수천 개의 합금 중에서 적층 제조를 사용하여 만들 수 있는 합금은 소수에 불과합니다.”라고 말했습니다.

과학자들이 직면한 과제 중 하나는 금속 3D 프린팅 중 응고가 눈 깜짝할 사이에 일어난다는 점이었습니다. 

고속 현상을 포착하기 위해 새로운 연구의 저자는 Argonne National Laboratory의 Advanced Photon  Source  와 Paul Scherrer Institute의  Swiss Light Sourc 에서 싱크로트론이라고 불리는 순환 입자 가속기에 의해 생성된 강력한 X선을 사용했습니다 . 

연구팀은 레이저 출력과 움직임 설정으로 제어할 수 있는 금속의 냉각 속도가 결정 구조에 어떻게 영향을 미치는지 알아보려고 했습니다. 그런 다음 연구원들은 합금의 응고를 설명하는 80년대에 개발되어 널리 사용되는 계산 모델의 예측과 데이터를 비교했습니다. 

이 모델은 전통적인 제조 공정에서 신뢰를 받고 있지만, 심사위원단은 3D 프린팅의 급격한 온도 변화라는 독특한 맥락에서 적용 가능성이 있다고 판단했습니다. 

"싱크로트론 실험은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들기 때문에 관심 있는 모든 조건에 대해 실행할 수는 없습니다. 그러나 흥미로운 조건을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있는 모델을 검증하는 데 매우 유용합니다."라고 공동 저자인 Greta는 말했습니다. Lindwall은 KTH Royal Institute of Technology의 재료 과학 및 공학 부교수입니다.

싱크로트론 내에서 저자는 이름에서 알 수 있듯이 고온을 견딜 수 있는 도구를 만드는 데 사용되는 일종의 금속인 열간 공구강에 대한 적층 제조 조건을 설정했습니다. 

레이저가 금속을 액화시키고 다양한 결정이 등장함에 따라 X선 빔은 순간적인 과정의 이미지를 생성하기에 충분한 에너지와 속도로 샘플을 조사했습니다. 팀 구성원은 테스트하려는 냉각 속도(온도 범위: 초당 수만 켈빈에서 백만 켈빈 이상)를 지원하기 위해 두 개의 별도 시설이 필요했습니다. 

연구자들이 수집한 데이터는 두 종류의 결정 구조인 오스테나이트와 델타 페라이트 사이의 밀고 당기는 현상을 보여 주며, 후자는 인쇄된 부품의 균열과 관련이 있습니다. 냉각 속도가 초당 150만 켈빈(270만 화씨)을 초과하면서 오스테나이트가 경쟁 상대를 압도하기 시작했습니다. 이 중요한 임계값은 모델이 예측한 것과 일치합니다. 

“모델과 실험 데이터가 잘 일치합니다. 결과를 봤을 때 우리는 정말 기뻤습니다.”라고 Zhang이 말했습니다. 

이 모델은 오랫동안 전통적인 제조 분야에서 재료 설계를 위한 신뢰할 수 있는 도구였으며 이제 3D 프린팅 공간에서도 동일한 지원을 받을 수 있습니다. 

결과는 모델이 인쇄 공정의 초기 응고 단계에 대해 선택할 냉각 속도에 대해 과학자와 엔지니어에게 알릴 수 있음을 나타냅니다. 이렇게 하면 원하는 재료 내에 최적의 결정 구조가 나타나 금속 3D 프린팅이 주사위 굴림의 부담을 덜게 됩니다. 

“데이터가 있으면 이를 사용하여 모델을 검증할 수 있습니다. 이것이 산업용 적층 제조의 광범위한 채택을 가속화하는 방법입니다.”라고 Zhang은 말했습니다.