3D 프린팅으로 강판 제조, 더 단단하고 탄력적
- 기술 / 문광주 기자 / 2020-06-27 18:20:53
(읽기 3분)
지속적으로 연질 코어와 내마모성이 강한 외피를 사용해 공구 부품을 생산할 수 있다.
필요성에서 태어남
고대 대장간은 탄소 함량에 의해서만 (예 : 재를 혼합) 철 합금의 특성에 영향을 줄 수 있었다. 그래서 부드럽고 강하거나 단단하지만 부서지기 쉬운 강철을 얻었다.
특히 칼의 경우, 날이 부서지거나 휘지 않도록 견고하고 단단한 재료가 필요했다.
따라서 셀틱 대장장이조차도 다른 철 합금을 결합했으며, 나중에 유럽 대장장이는 이러한 합금을 여러 얇은 층으로 접고 결합하는 기술을 개발했다. 이 다마스커스 스틸 또는 다마스크의이 층 구조는 특징적인 스트라이프 패턴으로 알아볼 수 있다. 이러한 복합 금속을 제조하려는 노력은 비교적 높다.
레이저 및 금속 분말을 사용한 적층 제조
Max Planck Iron Institute for Iron Research의 필립 퀴른스타이너(Philipp Kürnsteiner)와 그의 동료들은 3D 프린팅을 사용해 이러한 층상 합금을 보다 쉽게 만드는 방법을 개발했다.
금속 성분의 기존의 합금 제조와 유사하게, 레이저는 분말로서 공급되는 원료를 용융시키고 성형하는데 사용된다.
새로운 공정에서 인쇄 공정 중에 레이저를 사용해 금속 합금의 특정 층에서 강철의 결정 구조를 구체적으로 변경하여 기계적 특성에 영향을 미친다. 이를 위해, 그들은 철, 니켈 및 티타늄으로 구성되며 초기에는 다소 부드러운 합금을 개발했다. 3D 프린팅을 사용하여 용융되고 얇은 층의 구성 요소에 적용된다.
식히면 철근이 단단해짐
과학자들은 그 과정을 중단하고 금속을 섭씨 195도 이하로 식혔다.
퀴른스타이너(Kürnsteiner)의 동료 Eric Jägle은 "이 온도 아래에서 결정 구조의 변형이 강철에서 시작된다"고 설명했다. "소위 마텐자이트*상이 생성된다." 이 냉각된 강철층이 다음 층이 적용될 때 레이저에 의해 다시 가열되면, 니켈-티타늄 미세 구조가 형성된다.
*마텐자이트 [martensite] 두산백과
강철을 담금질하면 고온에서 안정된 오스테나이트로부터 실온에서 안정한 α철과 시멘타이트로 구성되는 조직으로 변화하는 변태가 일부 저지되어 단단한 조직으로 되는데, 이것이 마텐자이트이다. 독일 철강학자 A.마르텐스의 이름을 따서 명명되었다.
냉각 및 재가열의 순서는 금속층에서 2개의 변형 단계를 초래한다 :
첫째, 강철은 오스테나이트에서 마텐자이트 결정 구조로 변화한다.
두 번째 단계에서는 미세 구조가 마텐자이트(martensite)에 생성된다. 결정 격자 내에서의 변위를 방해하므로 이 강철층을 특히 단단하게 만든다. 끊기지 않고 다음 레이어로 즉시 덮힌 레이어는 더 부드럽게 유지된다.
동시에 단단하고 신축성
이 3D 프린팅의 결과는 Damascus 강철과 같이 단단하고 부드러운 층으로 교대로 구성된 금속이다. "인쇄된" 변형은 특징적인 다마스크 패턴을 보여줄 뿐만 아니라, 기계적 특성도 시험에서 유사하게 우수한 것으로 나타났다. 3D 프린팅된 합금은 압축 강도가 1,300 메가 파스칼이지만 10%의 탄성을 가진다.
"이것은 구 다마스커스 강철의 기계적 성질보다 우수하다"고 연구원들은 말했다.
상이한 층의 특성 및 구조는 냉각 일시 정지 기간뿐만 아니라 레이저 에너지, 레이저 초점 또는 인쇄 속도에 의해 영향을 받을 수 있다. 이 기술을 사용하여 경도뿐만 아니라 금속의 내부식성과 같은 다른 특성을 설정할 수도 있다고 한다.
다른 모양도 가능
과학자들이 설명하듯이 주기적으로 변화하는 층을 가진 다마스커스와 같은 강철은 3D 프린팅 공정에서 가능한 변형 중 하나일 뿐이다. 또한 지속적으로 연질 코어와 내마모성이 강한 외피를 사용해 공구 부품을 생산할 수 있다.
Jägle은 “국소 제어 개념 덕분에 단일 생산 단계에서 표면 경화에 필요한 추가 공정 단계없이 이를 달성할 수 있었다”고 말했다.
그러나 지금까지 많은 클래식 스틸 합금은 적층 가공에 최적으로 적합하지 않았다.
Kürnsteiner는 “우리의 접근 방식은 3D 프린팅의 모든 잠재력을 활용할 수 있는 방식으로 합금을 개발하는 것이다”고 말했다.
(Nature 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2409-3)
출처 : Max Planck Institute for Iron Research
지속적으로 연질 코어와 내마모성이 강한 외피를 사용해 공구 부품을 생산할 수 있다.
3D 프린터로 생산한 다마스커스 스틸, 적층 제조를 통해 더 단단한 금속으로 만든다.
3D 프린터에서 강판을 생산할 수 있다.
오래된 무기의 고전 다마스쿠스 스틸과 마찬가지로 이 소재는 단단하고 부드러운 층을 결합하여 특히 견고하고 탄력적이다. 이것은 냉각과 가열의 영리한 조합으로 가능하며 금속의 결정 구조를 변화시킨다.
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▲ 클래식 다마스커스 스틸과 마찬가지로 단단하고 어둡고 부드러운 빛의 레이어가 이 3D 프린트 스틸과 교대로 사용된다. © Frank Vinken |
필요성에서 태어남
고대 대장간은 탄소 함량에 의해서만 (예 : 재를 혼합) 철 합금의 특성에 영향을 줄 수 있었다. 그래서 부드럽고 강하거나 단단하지만 부서지기 쉬운 강철을 얻었다.
특히 칼의 경우, 날이 부서지거나 휘지 않도록 견고하고 단단한 재료가 필요했다.
따라서 셀틱 대장장이조차도 다른 철 합금을 결합했으며, 나중에 유럽 대장장이는 이러한 합금을 여러 얇은 층으로 접고 결합하는 기술을 개발했다. 이 다마스커스 스틸 또는 다마스크의이 층 구조는 특징적인 스트라이프 패턴으로 알아볼 수 있다. 이러한 복합 금속을 제조하려는 노력은 비교적 높다.
레이저 및 금속 분말을 사용한 적층 제조
Max Planck Iron Institute for Iron Research의 필립 퀴른스타이너(Philipp Kürnsteiner)와 그의 동료들은 3D 프린팅을 사용해 이러한 층상 합금을 보다 쉽게 만드는 방법을 개발했다.
금속 성분의 기존의 합금 제조와 유사하게, 레이저는 분말로서 공급되는 원료를 용융시키고 성형하는데 사용된다.
새로운 공정에서 인쇄 공정 중에 레이저를 사용해 금속 합금의 특정 층에서 강철의 결정 구조를 구체적으로 변경하여 기계적 특성에 영향을 미친다. 이를 위해, 그들은 철, 니켈 및 티타늄으로 구성되며 초기에는 다소 부드러운 합금을 개발했다. 3D 프린팅을 사용하여 용융되고 얇은 층의 구성 요소에 적용된다.
식히면 철근이 단단해짐
과학자들은 그 과정을 중단하고 금속을 섭씨 195도 이하로 식혔다.
퀴른스타이너(Kürnsteiner)의 동료 Eric Jägle은 "이 온도 아래에서 결정 구조의 변형이 강철에서 시작된다"고 설명했다. "소위 마텐자이트*상이 생성된다." 이 냉각된 강철층이 다음 층이 적용될 때 레이저에 의해 다시 가열되면, 니켈-티타늄 미세 구조가 형성된다.
*마텐자이트 [martensite] 두산백과
강철을 담금질하면 고온에서 안정된 오스테나이트로부터 실온에서 안정한 α철과 시멘타이트로 구성되는 조직으로 변화하는 변태가 일부 저지되어 단단한 조직으로 되는데, 이것이 마텐자이트이다. 독일 철강학자 A.마르텐스의 이름을 따서 명명되었다.
냉각 및 재가열의 순서는 금속층에서 2개의 변형 단계를 초래한다 :
첫째, 강철은 오스테나이트에서 마텐자이트 결정 구조로 변화한다.
두 번째 단계에서는 미세 구조가 마텐자이트(martensite)에 생성된다. 결정 격자 내에서의 변위를 방해하므로 이 강철층을 특히 단단하게 만든다. 끊기지 않고 다음 레이어로 즉시 덮힌 레이어는 더 부드럽게 유지된다.
동시에 단단하고 신축성
이 3D 프린팅의 결과는 Damascus 강철과 같이 단단하고 부드러운 층으로 교대로 구성된 금속이다. "인쇄된" 변형은 특징적인 다마스크 패턴을 보여줄 뿐만 아니라, 기계적 특성도 시험에서 유사하게 우수한 것으로 나타났다. 3D 프린팅된 합금은 압축 강도가 1,300 메가 파스칼이지만 10%의 탄성을 가진다.
"이것은 구 다마스커스 강철의 기계적 성질보다 우수하다"고 연구원들은 말했다.
상이한 층의 특성 및 구조는 냉각 일시 정지 기간뿐만 아니라 레이저 에너지, 레이저 초점 또는 인쇄 속도에 의해 영향을 받을 수 있다. 이 기술을 사용하여 경도뿐만 아니라 금속의 내부식성과 같은 다른 특성을 설정할 수도 있다고 한다.
다른 모양도 가능
과학자들이 설명하듯이 주기적으로 변화하는 층을 가진 다마스커스와 같은 강철은 3D 프린팅 공정에서 가능한 변형 중 하나일 뿐이다. 또한 지속적으로 연질 코어와 내마모성이 강한 외피를 사용해 공구 부품을 생산할 수 있다.
Jägle은 “국소 제어 개념 덕분에 단일 생산 단계에서 표면 경화에 필요한 추가 공정 단계없이 이를 달성할 수 있었다”고 말했다.
그러나 지금까지 많은 클래식 스틸 합금은 적층 가공에 최적으로 적합하지 않았다.
Kürnsteiner는 “우리의 접근 방식은 3D 프린팅의 모든 잠재력을 활용할 수 있는 방식으로 합금을 개발하는 것이다”고 말했다.
(Nature 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2409-3)
출처 : Max Planck Institute for Iron Research
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