거대한 X선 시설에서 자석이 3D 인쇄 구성 요소의 결함을 줄일 수 있음을 보여준다

UCL과 그리니치 대학의 연구자들이 개발한 새로운 기술을 통해 항공기와 포뮬러 1 경주용 자동차의 안전에 중요한 부품을 3D로 인쇄할 수 있게 되었고, 이를 통해 제조 공정의 불완전성을 크게 줄일 수 있게 되었습니다.

이 기술은 팀이 복잡한 3D 인쇄 금속 합금 구성 요소에 형성된 결함의 원인을 관찰하기 위해 고급 X선 이미징을 사용한 후 개발되었습니다. 이 기술이 널리 배포되면 인공 고관절에서 항공기 부품에 이르기까지 다양한 구성 요소를 더 강하고 내구성 있게 만들 수 있습니다.

Science 에 발표된 이 연구에서는 금속 합금의 레이저 기반 3D 프린팅 과정에서 작용하는 힘을 전례 없는 세부 사항과 실시간을 통해 관찰했습니다.

이를 위해 연구팀은 시카고의 APS(Advanced Photon Source) 싱크로트론에서 제조 공정의 고속 싱크로트론 X선 이미징을 수행하여 레이저 빔과 금속 원자재 사이의 복잡한 상호 작용을 천분의 일초보다 훨씬 짧은 시간 동안 기록했습니다.

이를 통해 레이저가 금속 합금을 녹일 때 발생하는 증기로 인해 구성 요소에 작은 열쇠 구멍 모양의 기공이 생성되는 과정과 열쇠 구멍의 불안정성으로 인해 3D 인쇄 부품에 결함이 발생하는 원인을 파악할 수 있었습니다.

그런 다음 연구팀은 부품이 형성될 때 금속 합금에 자기장을 가하여 제조 공정을 관찰했습니다. 이를 통해 레이저가 용융 금속에 닿는 지점을 안정화하여 결함을 줄이는 데 도움이 될 것이라고 가설을 세웠습니다.

이 이론은 옳은 것으로 증명되었습니다. 적절한 자기장이 가해졌을 때 인쇄된 부품의 기공 형성이 80% 감소했습니다.

UCL 기계공학과에서 이 연구의 제1 저자인 Xianqiang Fan 박사는 "레이저가 금속을 가열하면 액체가 되지만 증기도 생성합니다. 이 증기는 용융 금속을 밀어내는 플룸을 형성하여 J자 모양의 움푹 들어간 부분을 형성합니다. 표면 장력으로 인해 움푹 들어간 부분에 잔물결이 생기고 바닥이 부러져 완성된 구성품에 기공이 생깁니다.

"이 과정에 자기장을 적용하면 열전기적 힘이 유체 흐름을 발생시켜 구멍이 'I' 모양과 유사해져서 물결칠 때 끊어질 꼬리가 없게 됩니다."

금속 합금의 레이저 기반 3D 프린팅에서 컴퓨터 제어 레이저는 금속 분말 층을 녹여 복잡한 고체 모양을 형성합니다. 이를 통해 티타늄 자전거 부품에서 생체의학 보철물에 이르기까지 광범위한 분야에서 고가치 제품에 사용할 수 있는 비교할 수 없을 정도로 복잡한 합금 구성 요소를 생산할 수 있습니다.

빠른 속도로 두꺼운 층을 얻기 위해 레이저는 인간 머리카락 두께 정도로 고도로 집중되어 앞쪽 근처에 열쇠 구멍 모양의 증기 침강이 있는 용융 풀을 만듭니다. 그러나 이 열쇠 구멍은 불안정할 수 있으며 최종 구성 요소에 기공이 되는 거품을 생성하여 기계적 내구성에 영향을 미칩니다.

UCL 기계공학과에서 이 연구의 수석 저자인 피터 리 교수는 "이러한 유형의 구성 요소에서 키홀 기공은 수십 년 동안 알려져 왔지만, 키홀 기공의 형성을 방지하는 전략은 대체로 알려지지 않았습니다. 가끔 도움이 되는 것으로 나타난 한 가지 방법은 자기장을 적용하는 것이지만, 결과는 반복 가능하지 않았고 작동 메커니즘은 논란의 여지가 있습니다.

"이번 연구에서 우리는 자석을 사용하거나 사용하지 않고 초당 10만 번 이상의 이미지를 촬영하여 제조 공정을 전례 없는 수준으로 관찰할 수 있었습니다. 이를 통해 열전기적 힘을 사용하면 키홀 기공을 크게 줄일 수 있다는 것을 보여주었습니다.

"실제로 이는 우리가 훨씬 더 오래 지속되고 항공우주에서 포뮬러 1에 이르기까지 새로운 안전이 중요한 응용 분야로 사용이 확대될 고품질 3D 인쇄 구성 요소를 만드는 데 필요한 지식을 보유하고 있다는 것을 의미합니다."

이 연구의 통찰력을 적용하기 전에 제조업체는 생산 라인에 자기장을 통합하기 위해 몇 가지 기술적 과제를 극복해야 합니다. 저자들은 이 변환이 몇 년이 걸릴 가능성이 있지만 그렇게 하는 것의 영향은 상당할 것이라고 말합니다.

그리니치 대학의 연구 수석 저자인 앤드류 카오 교수는 "저희 연구는 표면 장력과 점성력 사이에 복잡한 역학이 있는 이런 유형의 제조에 관련된 물리적 힘에 빛을 비춥니다. 자기장을 적용하면 이를 방해하고 전자기 감쇠 및 열전기력을 추가로 도입하며, 이 작업에서 후자는 공정을 유익하게 안정화하는 역할을 합니다.

"이 새로운 강력한 도구를 사용하면 원료 물질이나 레이저 빔 모양을 수정할 필요 없이 용융 흐름을 제어할 수 있습니다. 이 도구를 사용하여 다양한 최종 사용 애플리케이션에 맞게 조정된 고유한 미세 구조를 개발할 수 있는 방법을 알게 되어 매우 기쁩니다.

"인공 엉덩이 또는 전기 자동차용 배터리 팩을 제작하든, 적층 제조의 개선으로 더 높은 품질의 3D 인쇄 부품을 더 빠르고 저렴하게 생산할 수 있게 될 것입니다."

이 연구는 영국 EPSRC와 왕립공학원의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250220164244.htm