금속레이저 적층가공 기술개발 연구

1. 소개

레이저 적층 가공(LAM)은 레이저를 에너지원으로 사용하는 적층 제조 기술로, 주로 기존 금속 부품의 가공 방식을 완전히 바꿀 수 있습니다. 분말베드에 분말을 뿌리는 방식인 SLM(Selective Laser Melting)과 동기식 분말 공급 방식인 LDMD(Laser Direct Deposition)로 구분됩니다. 예를 들어 GE(General Electric Company) SLM 항공기 엔진 연료 노즐과 베이징 항공우주대학 LDMD 항공기 티타늄 합금 프레임이 대표적인 적용 사례입니다.

현재 국내외 금속 LAM 기술의 발전 상황으로 볼 때, 아직까지 진정으로 산업화되는 기술 방향은 소수에 불과하다. 이는 기초 이론의 축적, 핵심 기술의 돌파구, 성숙도에 기인한다. 엔지니어링 응용 기술의 발전과 R&D, 상용화 및 홍보로 인해 LAM 기술의 산업적 적용이 다양한 수준으로 제한되었습니다. 현재 국내외 연구는 주로 제어 가능한 연구에 중점을 두고 있으며 다공성, 균열, 조직 특성, 이방성 등에 대한 기초 연구를 중심으로 에너지 밀도가 낮으면 라멜라형 α+β 상 구조가 형성되어 기공 및 균열이 쉽게 발생할 수 있습니다. 열악한 융합; 에너지 밀도는 알루미늄 원소의 분리와 α2-Ti3Al 상의 형성을 촉진하는 침상 마르텐사이트 α' 구조를 유발하며 증착된 Ti-6Al-4V 합금의 피로 강도는 약 80% 낮습니다. 단조품. 베이징 항공우주대학(Beijing University of Aeronautics and Astronautics)은 티타늄 합금 대형 구조 부품에 대한 LDMD의 내부 결함 및 품질 관리와 같은 핵심 기술을 개발했습니다[20]. Northwestern Polytechnical University는 항공기용 대형 티타늄 합금 엣지 스트립의 LDMD 제조를 완료하여 높은 수준의 성형 정확도와 변형 제어에 도달했습니다. 심양 항공우주대학교는 LDMD 공정 중 부품의 변형 및 균열을 효과적으로 제어하는 ​​분할 스캐닝 성형 방법을 제안했습니다. Youyan Engineering Technology Research Institute Co., Ltd.는 블리스크 및 입구의 TC11 및 TA15/Ti2AlNb 이종 재료의 인터페이스 품질 관리 및 복잡한 형상 통합 제어 문제를 해결했으며 제품은 테스트 평가를 통과했습니다.

형상 치수 및 표면 거칠기의 정밀 제어에 대한 국내 연구는 SLM 기술에 집중되어 왔습니다. SLM 방법을 사용하여 Xi'an Blit Laser Forming Technology Co., Ltd.에서 가공한 유동 채널 부품의 최소 구멍 직경은 약 0.3mm이고, 얇은 벽 부품의 최소 벽 두께는 전체 약 0.2mm입니다. 부품의 치수 정확도는 0.2mm에 도달하고 거칠기 Ra는 3.2μm보다 크지 않습니다. 난징 항공우주대학교는 SLM 정밀 제조에 중점을 두고 전체 공정 제어를 통해 부품의 전반적인 성능을 향상시킵니다. Xi'an Jiaotong University는 중공 터빈 블레이드, 항공우주 추진기, 자동차 부품 등의 제조에 LAM을 적용합니다[11].

중국 항공 공학 베이징 항공 재료 연구소는 LAM 기술에 대한 포괄적인 연구를 완료했습니다. LDMD에서 제조한 니켈 기반 이중 합금 터빈 일체형 블리스크가 초회전 테스트 평가를 통과했으며 추가로 수리된 IL-76 항공기 랜딩 기어 일괄 적용을 획득하여 LAM 초음파 스캐닝 및 평가 시스템을 개발하고 테스트 표준 및 비교 테스트 블록을 확립했으며 평가 및 비파괴 테스트 기술 결과를 항공기 풀리 프레임, 프레임 및 기타 설치된 부품의 일괄 테스트에 적용했습니다.

SLM 분말의 경우 국내 제품은 기본적으로 성형 공정 요구 사항을 충족합니다. 중국과학원 금속연구소는 SLM용 초미세 티타늄 합금 및 고온 합금 분말의 청정 제조 기술에서 획기적인 발전을 이루었으며 그 성능은 수입 제품 수준에 도달했습니다. Xi'an Ouzhong Materials Technology Co., Ltd.가 개발한 티타늄 합금 및 고온 합금 분말 제품이 엔지니어링에 적용되었습니다.

2. 금속 LAM 장비

국내 LDMD 및 SLM 장비는 상대적으로 강력한 R&D 역량을 보유하고 있으며 일정 수준의 시장 적용 점유율을 확보하고 있습니다. Xi'an Blit Laser Forming Technology Co., Ltd.는 SLM 시리즈 장비와 레이저 고성능 수리 시리즈 장비를 독립적으로 개발했습니다. Nanjing Zhongke Yuchen Laser Technology Co., Ltd.는 자동 줌 동축 분말 공급 노즐, 장거리 분말 공급기 및 고효율 불활성 가스 순환 정화 상자와 같은 핵심 구성 요소를 개발하여 일련의 금속 LDMD 장비를 구성했습니다. 또한, Beijing Yijia 3D Technology Co., Ltd.와 Beijing Xinghang Mechanical and Electrical Equipment Co., Ltd.는 산업용 등급 및 소형 금속 SLM 장비의 소량 생산에 종사하고 있으며, Shanghai Aerospace Equipment Manufacturing General Co., Ltd.는 표준 및 대형 SLM 장비와 로봇형 LDMD 장비를 전문적으로 연구 개발하고 있습니다.

3. 금속 LAM 응용

LDMD는 주로 하중 지지 구조물 제조에 사용됩니다. Beihang University에서 제조한 주 하중 지지 프레임, 주 랜딩 기어 및 기타 구성 요소는 항공 우주 항공기, 가스 터빈 엔진 및 기타 장비에 사용되었습니다. 항공 산업 심양 항공기 설계 연구소는 엔지니어링 응용 검증을 통해 LDMD 기술의 성숙도를 촉진하여 항공기에 8가지 유형의 금속 재료와 10가지 유형의 구조 부품을 적용하는 것을 실현합니다. 항공업계 최초 항공기 설계연구소에서는 대형 항공기의 외부 메인 플랩 풀리 프레임과 테일 러더 암에 LDMD 부품 장착 및 적용을 실현했습니다. 베이징 기계 전기 공학 연구소는 대형 얇은 벽 골격 캐빈 구조의 LDMD 제조 및 적용을 실현했습니다.

SLM은 복잡한 형상의 부품 제조에 주로 사용됩니다.

항공 분야에서는 중국 항공 제조 기술 연구소가 SLM 제품의 설치 및 적용을 실현했습니다. 항공 산업 청두 항공기 설계 연구소는 항공기의 SLM 보조 동력 캐빈 그릴 구조 흡입/배기 밸브를 사용했습니다. 항공업계에서는 그릴 구조, 빗물 차단 구조, 공기 흡입구 멀티 캐비티 구조 등을 활용해 SLM 부품의 설치 및 적용이 가능해졌습니다. 항공우주 분야에서는 Shanghai Aerospace Equipment Manufacturing Factory Co., Ltd.의 탱크 차단 브래킷, 공간 라디에이터 및 유도 장치와 같은 SLM 제품이 Beijing Xinghang Mechanical의 객실 구조 부품 및 제어 표면과 같은 SLM 제품에 설치되었습니다. 및 Electrical Equipment Co., Ltd. 제품은 지상 테스트 및 비행 테스트를 통과했으며 베이징 기계 전기 공학 연구소는 작고 복잡한 부품의 SLM 제조를 달성했으며 제어 표면, 브래킷 및 기타 제품의 기술 성숙도는 레벨 5에 도달했습니다. Xinjinghe Laser Technology Development (Beijing) Co., Ltd.는 SLM을 적용합니다. 대형 얇은 벽의 티타늄 합금 격자 샌드위치 구조(열 수집 창 프레임)는 심우주 탐사 항공기의 엄격한 기술 요구 사항을 충족하도록 제작되었습니다.

또한 Xi'an Blit Laser Forming Technology Co., Ltd.는 SLM 기술을 사용하여 매년 항공우주 분야에 8,000개 이상의 부품을 제공하고 있습니다. 가산 및 감산 복합 가공 수로용 경사 재료 금형은 많은 산업 분야에서 사용되었습니다.

(2) 직면한 격차

1. 금속 LAM 재료의 설계 및 제조 기술에 격차가 있다

국내의 설계 이론 및 방법 체계 LAM 특수소재는 아직 불분명하고, 특수소재 디자인 작업이 빈약하고 분산되어 있습니다. 소재 게놈 기술은 연구개발 주기를 단축하고 연구개발 비용을 절감해 해외 관련 소재 디자인에 성공적으로 적용됐다. 국내에서는 소재 게놈 기술 연구 및 LAM 특화 소재의 성능 향상을 위한 활용 기반이 상대적으로 취약하다.

분말 준비 측면에서 국내 진공 아르곤 분무 분말 제조 기술은 비교적 성숙되어 있으며 준비된 스테인레스 스틸 및 니켈 기반 합금 분말의 특성은 기본적으로 성형 공정의 요구 사항을 충족합니다. 그러나 티타늄 합금 및 알루미늄 합금 초미세 분말 제조에는 큰 격차가 있으며, 주요 문제는 분말의 구형도가 낮고 미세 분말 수율이 낮아 SLM 성형 요구 사항을 충족할 수 없어 실제 적용이 여전히 의존적이라는 것입니다. 수입.

2. 금속 LAM 장비 설계 및 제조 기술 격차가 있다

우리나라와 미국, 독일 등 LAM 기술 강국의 격차는 주로 공정 장비에 있다. 국내용 SLM 장비는 대부분 독일 수입에 의존하고 있는 반면, 대규모 엔지니어링용 SLM 장비는 주로 수입에 의존하고 있다. 국내 기업은 레이저, 검류계 등 핵심 부품에 대한 자체 연구 역량이 부족합니다. 국내 장비의 가공 크기, 안정성 및 가공 정확도를 시급히 개선해야 합니다. 공정 모니터링 및 분말 흐름 패턴, 용융 풀 형성을 위한 국산 제어 소프트웨어입니다. 상태 등이 충분히 완벽하지 않습니다.

3. 금속 LAM 공정에 대한 연구 부족

터빈 엔진, 항공기 등 중요 장비 소재의 성능이 지속적으로 향상되면서 소재 가공성이 저하되고 있다. 항공 백본 재료의 LAM 공정에 대한 국내 연구는 미흡하고, 부품의 내부 구조적 결함 문제는 아직 근절되지 않았으며, 응력 변형 및 균열 제어와 같은 효과적인 방법이 형성되지 않았습니다. 균일하고 일관성이 있으며 배치 안정성이 좋지 않습니다. 그러나 첨단 항공기 엔진과 고속 항공기에 필요한 초고온 구조재료의 LAM 공정에 대한 연구는 더욱 부족한 실정이다.

4. 제품 치수 정확성과 표면 거칠기는 기술 요구 사항을 충족하지 않습니다.

LDMD 항공기 구조 부품은 일반적으로 가공 여유를 남기며 치수 정확성과 표면 거칠기가 반드시 주요 제약 사항은 아닙니다. 그러나 대부분의 터빈 엔진 부품은 내부 흐름 채널과 공동이 있는 복잡한 구조 부품입니다. 해당 SLM 성형 치수 정확도는 약 0.1mm이고 표면 거칠기 Ra는 약 6.3으로, 이는 여전히 정밀 주조에 훨씬 뒤떨어져 있습니다. 관련 제품 역시 성형, 내부 표면 처리 및 기타 기술에 대한 연구가 부족하다는 문제에 직면해 있습니다.

5. 금속 LAM에 대한 지도 기준 부족

현 단계에서 우리나라 LAM 산업이 직면한 근본적인 문제는 설계, 재료, 품질 관리 기준이 부족하다는 것입니다. 프로세스, 테스트, 조직 성능, 치수 정확도 등의 측면에서 수용 근거가 부족합니다. 부품응용의 기초가 되는 비파괴검사, 기계적 성질, 야금학적 지도 등 기초자료의 정리가 부족하여 제품표준 제정이 어렵고 산업적 응용촉진에 대한 보장도 미흡하다.

5. 우리나라 금속레이저 적층가공 핵심기술 분석

1. 레이저 가공용 최고급 핵심장치 설계 및 제조

캐리 프로세서, 메모리, 산업용 컨트롤러, 고정밀 센서, 디지털/아날로그 컨버터 등 기본소자의 품질 및 성능 향상에 주력하고, 핵심소자 설계 및 제작을 수행하며 독립적인 지적재산권을 보유한 핵심소자 개발을 수행하고 있습니다. 공정 장비의 장치 및 핵심 부품, 고빔 품질 레이저 및 빔 성형 시스템, 고출력 레이저 스캐닝 검류계, 동적 포커싱 미러 및 기타 정밀 광학 장치, 고정밀 노즐 처리 헤드 및 기타 핵심 부품 개발.

2. 스캐닝 전략, 매개변수 계획 및 온라인 모니터링

데이터 설계, 데이터 처리, 프로세스 라이브러리, 프로세스 분석 및 프로세스 지능형 계획, 온라인 감지 및 모니터링 시스템, 성형 프로세스 돌파 자동화 지능형 제어 및 기타 측면의 소프트웨어 기술에 적응하고 독립적인 지적 재산권을 갖춘 LAM 핵심 지원 소프트웨어 시스템을 구축합니다.

3. 재료 게놈 기반 LAM 재료 설계 최적화

평형 조건과 거리가 먼 재료에 대한 특화된 고처리량 기술 모델 개발 및 고처리량에 적합한 멀티 스케일 시뮬레이션 알고리즘 개발 계산. 미세영역의 조성 및 조직구조를 제어할 수 있는 분말소재 제조기술을 연구하고, 고처리량 실험을 통해 소재유전자 데이터베이스를 구축합니다. 고처리량 계산, 실험, 데이터베이스의 협업을 통해 우수한 성능을 갖춘 LAM 전용 소재를 빠르게 개발할 수 있습니다.

4. 주쇄재료의 대표적인 구조에 대한 LAM 제어성 및 형상제어

여러 핵심재료 및 대표적인 부품에 대한 LAM 제어성 및 형상제어를 위한 핵심기술 및 부품공학 수행 화학물질 연구 응용 프로그램. 부품 제조 과정에서 최종 품질에 영향을 미치는 요소와 솔루션을 마스터하고, 원자재 관리, 공정 장비, 성형 공정, 열처리, 가공, 표면 처리, 비파괴 테스트 및 검증을 포함하는 엔지니어링에 사용할 수 있는 LAM 기술 시스템을 구성합니다. 테스트 등 실제 엔지니어링 응용 분야의 요구 사항을 충족하는 LAM 부품의 균일성과 배치 안정성에 주의하십시오.

6. 결론

금속 LAM 기술과 그 공학적 응용을 따라잡기 위해서는 우리나라의 LAM 개발은 “기술 – 제품 – 산업”의 객관적인 법칙을 따라야 합니다. ” 및 조직 성과 관리 기술 기반을 강화하고 하드웨어/소프트웨어 R&D 및 통합에서 핵심 장비의 단점을 보완하고 제품 품질 관리, 표준 및 검증을 강화하고 산업 응용을 꾸준히 추진합니다.

(1) 레이저 적층 제조 연구 기반을 강화하고 대학 및 과학 연구 기관의 기술 탐색 및 연구 역량을 최대한 발휘합니다. 산업 부서 또는 응용 단위가 제품 LAM 공정 개발 및 성능 검증을 주도하고 있으며, 먼저 쉽고 어렵다는 원칙을 바탕으로 기존 금속에서 금속간 화합물 및 니오븀-실리콘 초고온과 같은 첨단 소재로 점차 확대됩니다. 합금.

(2) 공학 응용 연구를 질서 있게 추진합니다. 우선 항공우주분야 대표제품을 선정하여 LAM 품질관리, 표준 및 검증작업을 진행하고, 제품 양산 및 엔지니어링 적용을 조속히 실현한 후 점차적으로 복잡한 구조의 고부가가치 제품으로 확대해 나갈 예정입니다. 열악한 작업환경, 열악한 가공성을 지닌 원자력산업의 무기, 자동차, 전력기기 등 첨단제조분야에 홍보 및 적용

(3) LAM 제품 품질 관리 표준에 대한 견고한 연구와 제정을 수행합니다. LAM의 결함 비파괴 테스트, 기계적 특성, 야금학적 맵, 피로 수명 등에 대한 기본 데이터를 축적하고 재료, 프로세스, 비파괴 테스트, 조직 및 기계적 특성, 치수 정확도, 표면 거칠기 등에 대한 수용 기준을 결정합니다. , 우리나라의 LAM 제품 기술표준을 제정합니다.

(4) 산업계의 실제 수요와 결합하여 대학과 직업기술대학에 LAM 관련 전공을 추가하여 기업을 위한 전문 기술과 숙련된 인재를 양성합니다. 우수한 기술 기업에 LAM 교육 센터를 설립하여 우리나라의 다양한 산업 분야의 설계자, 장인 및 장비 운영자에게 특별 교육을 제공함으로써 LAM 산업 발전을 위한 지적 지원을 제공합니다.