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화연 왕
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1 23 ISSN Online ISSN 금속 3D 프린팅소재와폴리머레이저접합에관한연구 예강현 * 김성욱 ** 박거동 *** 최해운 *, * 계명대학교기계공학과 ** 포항산업과학연구원 *** 이오테크닉스 A Study on Laser Welding for 3D Printed Metal Plate and Polymer Kang-Hyun Ye*, Sung-Wook Kim**, Geo-Dong Park*** and Hae-Woon Choi*, *Dept of Mechanical and Automotive Engineering, Keimyung Univ., Daegu 42601, Korea **Materials Solution Research Group, RIST, Pohang 37673, Korea ***EO Technics, Anyang 13930, Korea Corresponding author : hwchoi@kmu.ac.kr (Received July 8, 2016 ; Revised July 22, 2016 ; Accepted August 2, 2016) Abstract A 3D printed metal part and thermal plastic polymer part were joined by direct laser irradiation. The 3D metal part was fabricated by using DED(Direct Energy Deposition) with STS316 material. The experiment was carried out through no patterned metal surface, 3D metal printed surface and micro laser patterned surface. The most secure joining quality was obtained at the laser micro patterned surface specimen and the counterparts of polymers were PLA and PE based thermo plastics. The applied laser power was 350Watt and the distance of patterns was maintained at 150 μm. The laser line width was optimized at 450 μm and the laser micro pattern depth was 180 μm for the best joining quality. Based on the result analysis, the possibility of laser material joining for metal to polymer was proposed and multi-material joining will be possible in 3D laser direct material fabrication. Key Words : Laser, Pattering, Design, DED(Direct Energy Deposition) 1. 서론 3D 프린터가널리보급이됨에따라, 생산공정이 Top down 방식에서 Bottom Up방식으로혁신적으로바뀌게되고, 3D CAD 설계이후단시간에프로토타입및양산시제품을시현할수있게됨으로개발시간의획기적인단축을이루게되었다. 이러한결과로다양한소비자의요구를반영할수있게될뿐만아니라다품종소량생산의요구에도능동적으로대처할수있게되었다 1,2). 이러한 3D 프린팅의장점에도불구하고, 여전히컨텐츠제작에대한일반인들의접근성이어려울뿐만아니라 3D 프린팅방식의한계로인해서소재가녹는점 이상대적으로낮은폴리머소재로제한이되는것이대중화와더불어실용화의걸림돌이되고있다. 강성을요구하는산업분야응용의경우이러한소재선택의한계는치명적인약점이될뿐만아니라, 실용화진출의제한요소가되고있다 3,4). 이러한한계성극복을위해서금속소재에대한연구도꾸준히진행이되어왔고, 일부의경우양산시험편제작이나제한된분야에서양산화가진행이되고있다. 금속 3D 프린팅은크게두가지방식으로나뉘는데, 첫째는 PBF(Power Bed Fusion) 공법으로서모재분말층상부에레이저또는전자빔과같은고에너지를조사하여용융결합을시켜형상을만드는방식과둘째로 DED(Direct Energy Deposition) 공법으로금속분말과같은재료를송급하면서레이저와같은고에너 Journal of Welding and Joining, Vol.34 No.4(2016) pp

24 예강현 김성욱 박거동 최해운 지를조사하여동시에용융적층하는방식이다. 각각의방식에따라서장단점이있지만, DED 공법이현재로서는 PBF 공법보다강성이우수하고대형부품적용에유리한점이많아서활발한연구와응용이진행되고있다 3-6).

사용재료및실험방법 본연구에서사용된금속 3D 프린터소재는주로보일러용파이프, 해양구조물용으로사용되는소재인 STS316L 이며, 다양한폴리머재료를상대재료로사용하여서제작하였다. Fig.

DED 용금속분말은입도분포가균일하여야하며, 용융후우수한유동성과더불어산화및오염으로부터화학적안정성이커야한다.

2(a) 와같이 1mm 높이로적층하였으며시편을접합 하기에적합하도록길이 50mm, 폭 15mm, 두께 3mm 로가공하였다. 또한, 실험에사용된폴리머소재는열가소성소재로서 Fig.

PE의녹는점은대략 120 이며, PLA 소재의녹는점은 150~160 인소재를사용하였다. 폴리머소재또한금속소재와동일하게길이 50mm, 폭 15mm, 두께 3mm로가공하였다. 레이저접합실험에사용되는장비로는 Fig.

2 24 예강현 김성욱 박거동 최해운 지를조사하여동시에용융적층하는방식이다. 각각의방식에따라서장단점이있지만, DED 공법이현재로서는 PBF 공법보다강성이우수하고대형부품적용에유리한점이많아서활발한연구와응용이진행되고있다 3-6). 금속 3D 프린터의기술이안정화되고폴리머소재 3D 프린터가활성화되면서, 복합소재에대한산업계대응도가능하게되었다. 본논문은복합소재를이용한제품생산을위한기초연구로서, 금속 3D 프린팅기술로완성된제품과 3D 폴리머소재를레이저로이종접합한연구결과를보고한다. 2. 사용재료및실험방법 본연구에서사용된금속 3D 프린터소재는주로보일러용파이프, 해양구조물용으로사용되는소재인 STS316L 이며, 다양한폴리머재료를상대재료로사용하여서제작하였다. Fig. 1은본실험에사용된금속분말의형상을보여주고있으며, TLS 사의 316L 소재를적용하였다. 분말의형상은구형이며, 입도는 70~156 μm의분포를가지고있는것으로파악되었다. DED 용금속분말은입도분포가균일하여야하며, 용융후우수한유동성과더불어산화및오염으로부터화학적안정성이커야한다. 이러한조건을만족시키는금속분말을사용하여 DED 공정 ( 공정조건 : 레이저출력 700W, 분말송급량 4g/min, 보호가스유량 4L/min) 으로 S45C 금속시편위에 Fig. 2(a) 와같이 1mm 높이로적층하였으며시편을접합 하기에적합하도록길이 50mm, 폭 15mm, 두께 3mm 로가공하였다. 또한, 실험에사용된폴리머소재는열가소성소재로서 Fig. 2 (b),(c) 예시된바와같이내열성및내구성이좋고가공이쉬운장점으로다양한제품군에활용이되는 PE( 폴리에틸렌 ) 소재와 FDM 방식의 3D프린트소재로사용되며친환경소재로사용이되는 PLA 소재를사용한다. PE의녹는점은대략 120 이며, PLA 소재의녹는점은 150~160 인소재를사용하였다. 폴리머소재또한금속소재와동일하게길이 50mm, 폭 15mm, 두께 3mm로가공하였다. 레이저접합실험에사용되는장비로는 Fig. 3(a) 과같이최대출력 500W, 파장 915nm, 코어사이즈가 200 μm인 CW 모드의다이오드레이저를이용하였다. 시편은가압할수있도록 Fig. 3(b) 와같은가압지그장치를활용하여목표로하는가압력에맞추어준다음레이저열원을조사하였다. 초점의크기는폴리머소재에에너지가분산집속되도록 3mm 로설정하였다. 또한, 용융점차이가큰이종재료를동시에용착하는것이어려워서, 금속소재표면에요철을주어서접합을 (a) Metal speicimen (b) PLA specimen (c) PE specimen Fig. 1 SEM morphology and size distribution of metal powder Fig. 2 Specimen (a) metal 3D print (STS316L) (b) 3D printed (PLA) (c) PE(polyethylene) 322 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 4, 2016

금속 3D 프린팅소재와폴리머레이저접합에관한연구 25 213.610 um 150.000 100.

000 Fig. 5 Roughness measurement um 692.655 고접합을시도하였다.

4와같은파장 1064nm 와최대출력 50W 의 Pulse 타입의레이저를이용하여패터닝을하였다.

5과같이패턴간격을 150 μm, Line width 450 μm하였으며깊이는대략 180 μm로생성을하였다.

생성된요철은상대폴리머소재가요철사이로스며들어앵커를만들어갈고리형태로결합되는구조이다.

결과 실험은 1요철이없는금속소재, 2금속 3D 프린팅된소재그리고 3마이크로패터닝된소재를사용하여진행하였다.

실험의변수로는레이저출력, 지그가압력, 레이저 Pass 횟수를두고진행을하였다.

3 금속 3D 프린팅소재와폴리머레이저접합에관한연구 um (a) Diode Laser (LD500) Fig. 5 Roughness measurement um 고접합을시도하였다. 이러한요철생성을위해서 Fig. 4와같은파장 1064nm 와최대출력 50W 의 Pulse 타입의레이저를이용하여패터닝을하였다. 요철의크기는 Fig. 5과같이패턴간격을 150 μm, Line width 450 μm하였으며깊이는대략 180 μm로생성을하였다. (b) Welding JIG Fig. 3 Experiment setup Fig. 4 Laser scanner & marking 시도하였다. 일반금속소재의경우는신뢰성높은용접에필요한매크로크기의요철이없어별도의요철을생성시켜야한다. 생성된요철은상대폴리머소재가요철사이로스며들어앵커를만들어갈고리형태로결합되는구조이다. 다만, 금속 3D 프린팅후적층후발생되는파우더특유의미세패턴이있어서별도의요철을생성하지않 3. 결과 실험은 1요철이없는금속소재, 2금속 3D 프린팅된소재그리고 3마이크로패터닝된소재를사용하여진행하였다. 레이저패터닝을만들지않은상태에서금속 3D 프린트된 STS316L 소재의요철을이용하여대상소재인 PE, PLA 를접합해보았다. 실험은금속 3D 프린트소재를하부에두고상부에폴리머소재를둔후금속 3D 프린트소재표면에레이저를조사하여진행하였으며, 실험의변수로는레이저출력, 지그가압력, 레이저 Pass 횟수를두고진행을하였다. 요철이전혀없는금속소재는표면이지나치게매끄러워서접합이전혀일어나지않았다. 또한소입된에너지의대부분이금속을가열한후금속시편후면으로방출됨으로서폴리머와의접합이전혀이루어지지않았다. 두번째실험으로서금속 3D프린팅된소재를사용하여서접합을시도하였다. 금속 3D 프린팅이후자연스럽게생성된요철을이용하여서폴리머와의접합을진행하였으며, 결과가 Table 1에정리되었다. Table 1의결과에서나타나듯이레이저패터닝을이용하여요철을만들지않았을경우, 금속소재를통해서집속된열이모두유출되어서모든조건에서접합이되지않았다. 특히, 200W 의경우접합이전혀되지않았으 대한용접 접합학회지제 34 권제 4 호, 2016 년 8 월 323

26 예강현 김성욱 박거동 최해운 Table 1 Experiment results without patterns Power Joining pressure Scanning pass Results 200W 0.35Mpa 6 X 300W 0.35Mpa 6 X 350W 0.35Mpa 6 X Fig.

350W이상의고출력의경우에서부터일부접합이가능였으나, 금속 3D 프린트소재를통한열방출이많아서신뢰도높은접합결과를얻기가어려웠으며, 가압력은장비가가할수있는최대의가압력을주었고, Pass 횟수는출력에따른결과를알아보기위해고정해두어실험을진행하였다. (Fig. 6).

상대적으로고출력이적용이된것은금속 3D프린팅된시편의열손실이많이발생되었고, 고속으로스캔하는방식에서의효율감소가그원인으로판단된다. 전반적으로접합품질은우수하나, Scanning pass 횟수를증가시켜과용접이된상황에서는불순물탄화현상이발생해폴리머소재가부스러져버리거나파손되는현상도일부발견이되었다.(Fig. 8).

4 26 예강현 김성욱 박거동 최해운 Table 1 Experiment results without patterns Power Joining pressure Scanning pass Results 200W 0.35Mpa 6 X 300W 0.35Mpa 6 X 350W 0.35Mpa 6 X Fig. 7 Specimen of 3D printed metal plate with micro patterns on surface Table 2 Experiment results with patterns Fig. 6 Tensile test results of no-patterning 며, 300W의경우폴리머소재가약간가열었지만접합이되지않고쉽게분리되는경향이있었다. 350W이상의고출력의경우에서부터일부접합이가능였으나, 금속 3D 프린트소재를통한열방출이많아서신뢰도높은접합결과를얻기가어려웠으며, 가압력은장비가가할수있는최대의가압력을주었고, Pass 횟수는출력에따른결과를알아보기위해고정해두어실험을진행하였다. (Fig. 6). 금속 3D프린팅된이후의요철만으로는신뢰성있는접합결과를얻기가어려워서, 금속 3D프린팅소재표면에고출력펄스레이저를사용하여서패터닝을하였으며, 접합은 350W 출력을기준으로더높일경우열에의한변형이있어 350W 를기준으로두고가압력과 Pass 횟수를변수로두었다. (Fig. 7). Table 2에서정리된바와같이고출력펄스레이저를사용하여생성된패턴은신뢰도높은접합결과를보여주었다. 상대적으로고출력이적용이된것은금속 3D프린팅된시편의열손실이많이발생되었고, 고속으로스캔하는방식에서의효율감소가그원인으로판단된다. 전반적으로접합품질은우수하나, Scanning pass 횟수를증가시켜과용접이된상황에서는불순물탄화현상이발생해폴리머소재가부스러져버리거나파손되는현상도일부발견이되었다.(Fig. 8). Material Power Joining Pressure Scanning Pass Results PE 350W 0.3Mpa 6 O PE 350W 0.3Mpa 7 O PLA 350W 0.2Mpa 6 X PLA 350W 0.2Mpa 5 O PLA 350W 0.2Mpa 5 O 4. 결론 10mm Fig. 8 Cross section of 3D metal printed parts to polymer joining 본논문에서는금속 3D 프린팅소재와폴리머소재의레이저접합실험결과를보고하였다. 특히, 표면의요철정도에따른접합특성을알아보았으며, 무패턴, 금속 3D 프린팅소재표면그리고마이크로패턴에대한접합특성을비교하였다. 실험의결과표면이매끄러운소재는금속과폴리머의계면의융착이잘이루어지지않았으며, 신뢰도높은접합이어려웠다. 또한, 금속 3D 324 Journal of Welding and Joining, Vol. 34, No. 4, 2016

5 금속 3D 프린팅소재와폴리머레이저접합에관한연구 27 프린팅표면의경우에도일부의요철로인하여상대적인접합신뢰도우수성이있었으나, 용융된폴리머의침습이어려움이발생되었다. 마지막으로, 표면에레이저마이크로패턴을적용한결과금속표면에앵커링이되면서소재가효율적인기계적접합이가능함을볼수있었다. 연구의결과폴리머융착성이좋게하기위해서마이크로패턴을금속 3D 프린팅표면에적용하면, 신뢰도높은이종재료접합이이루어질수있을것으로기대가된다. 향후, 금속 3D 프린팅기술이조금더발달하여외부적인레이저패터닝이필요없이프린팅기술로써일정수준이상의앵커를생성할수있는단계가온다면이종재료접합이조금더쉬울것으로판단된다. 후기 본연구는한국연구재단기본연구지원사업 ( ) 의지원으로수행되었습니다. References 1. Lee J.E., Im Y. E., Park K., Finite Element Analysis of a Customized Eyeglass Frame Fabricated by 3D Printing, Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - A, 40(1) (2016), Ham W.S., Lee S.Y., Lee S.C., Kim J.D., Lee S.H, A Study of Metal 3D Printing Applied for Mould/Tooling Practices and Effects, KSMTE Spring meeting proceedings, (2014), Kim W.S., Hong M.P., Kim Y.G., Suh C.H., Lee J.W., Lee S.H., Sung J.H., Effects and Application Cases of Injection Molds by using DED type Additive Manufacturing Process, J. of Welding and Joining, 32(4) (2014) (in Korean) 4. J. H. Son, Examples and limitations on applying 3D printer (in Korean Market), Korean Society Of Precision Engineering, (2014) Kam D.H., Kim Y.M., Kim C.H., Recent Studies of Laser Metal 3D Deposition with Wire Feeding, J. of Welding and Joining, 34(1) (2016), (in Korean) 6. Lee S.J., KatayamaS., Kim J.D., Weldability of SUS304 and Ti Dissimilar Welds with Various Welding Speed using Single Mode Fiber Laser, Journal of KWJS. 31(5) (2013), (in Korean) 대한용접 접합학회지제 34 권제 4 호, 2016 년 8 월 325

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method