Binder Jet 3D 프린팅 공정으로 제작한 STS316L의 열처리 조건 확립 및 특성평가

Abstract

3D 프린팅 (적층 제조)기술은 기존 절삭 공정과 다르게 소재를 적층 하는 방식으로 제조하기 때문에 형상 자유도 높고 사용 소재를 절감할 수 있다는 특징 때문에 다양한 산업 분야에 적용을 하기 위한 연구들이 많이 진행되고 있다. 이러한 3D 프린팅 기술은 ASTM 규정에 의해 AM (Additive Manufacturing : 적층제조)이라 명칭하고 있으며, 총 7가지 방식으로 구분하고 있다. 이를 차례대로 열거하면 VP(Vat Photopolymerization), ME(Material Extrusion), MJ(Material Jetting), BJ(Binder Jetting), PBF(Powder Bed Fusion), DED (Directed Energy Deposition) 및 SL(Sheet Lamination)이다. 이러한 기술 중 현재, 금속 소재를 적층 할 수 있는 기술로는 PBF이나 DED와 같이 고출력 레이저를 이용하여 금속 소재를 용융하여 접합하는 기술들이 주로 이용되고 있다. 이 중 PBF 방식은 간단하게 분말을 한층 얇게 도포한 후 고출력의 열에너지를 가하여 용융 및 응고 과정을 반복하면서 적층 하여 제품을 제조하는 방식이며 DED 방식은 Carrier 가스에 의해 유도된 금속 소재를 고출력 레이저로 용접 방식과 같이 용융 및 응고를 통해 제작하는 방식이다. 이러한 방식들은 탄소(C) 함유량에 따른 사용소재의 한계, 일정한 레이저 밀도 유지 불가로 인해 가공영역의 제약에 의한 대형 제품 제작의 어려움, 공정 중 산소와의 접촉에 따른 산화 방지를 위해 빌드 챔버 내부를 불활성 분위기로 유지해줘야 하며 면 가공이 아닌 선 가공이기 때문에 생산 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 최근 그 대안의 기술로 BJ 기술을 사용하여 금속 제품을 제작하고자 하는 연구들이 활발히 진행되고 있으며, 기존 레이저 가공 방식에 비해 면 가공을 하기 때문에 가공 속도가 빠르고, 분사하는 프린팅 헤드의 개수를 늘리면 대면적 및 대량 생산이 가능하며, 금속 소재를 접착할 수 있는 소재면 무엇이든 가능하여 소재의 제한성이 없어 기존 금속 적층 제조 기술과의 차별성을 충분히 가지고 있다. 이러한 BJ 기술은 금속분말을 한층 얇게 도포 후 잉크젯 헤드로 바인더를 분사하여 적층 하는 기술로 PBF나 DED 방식과 다르게 금속 파우더를 용융 및 접합하는 방식이 아닌 파우더를 일시적으로 붙인 후 후처리 과정을 통해 출력물의 기계적 물성을 확보하는 기술이다. 이러한 BJ 기술에서 기계적 물성을 높이기 위해서는 반드시 후처리(열처리) 공정이 반드시 필요하며, 이러한 후처리 공정 시 발생하는 수축에 의한 변형을 최소화하기 위해서는 접착상태에서의 높은 내부 밀도가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 최초 출력물(Green part)에서의 높은 내부 밀도 확보를 통해 후처리 과정에서의 수축율을 낮추고 기계적 물성을 높이기 위한 기초 연구를 수행하였다. 이러한 연구를 위해 SUS316L 소재를 기반으로 BJ 공정 중 분사되는 바인더의 함유량에 따른 Green part의 미세 조직과 기계적 물성을 측정하고, 동일 조건에서 제작된 시편에 대해 후처리 후 어떠한 변화가 생기는지에 대한 연구를 수행하였다. 시편은 Ø10X10mm의 원형 시편에 대해 바인더 함유량을 각각 3%, 5%, 8%, 12% 별로 20개씩 시편을 제작하여 De-Binding 조건, 소결 조건에 따라 Green part 시편과 후처리 후 시편에 따른 강도 및 미세조직을 분석하여 비교하고자 하였다.