새로운 프로세스로 3D 지원

3D 프린팅 기술을 사용하면 복잡한 금속 부품을 효율적으로 생산할 수 있지만 이러한 부품은 응력을 받고 가열되면 변형되는 경우가 많습니다. 그러나 MIT에서 개발된 새로운 기술 덕분에 머지않아 더 이상 그렇지 않을 수도 있습니다.

기존 3D 프린팅 금속 부품의 문제점은 지속적인 기계적 응력과 높은 열로 인해 금속이 영구적으로 변형되는 '크리프(creep)' 현상에 있습니다. 특히 3D 프린팅된 금속과 같이 금속이 미세한 입자로 구성되어 있을 때 크리프가 발생할 가능성이 높습니다.

MIT의 Zachary Cordero 교수가 이끄는 팀은 입자를 더 크게 만들어 크리프에 덜 취약한 열처리 공정을 개발했습니다. 이는 방향성 재결정화라고 알려진 기존 기술의 변형입니다.

실험실 테스트에서는 처음에 3D 프린팅된 니켈 합금 막대를 유도 코일 바로 아래의 실온 수조에 넣은 다음 다양한 속도로 코일을 통해 천천히 똑바로 끌어올렸습니다. 이렇게 하면 각 막대의 일부가 1,200°C ~ 1,245°C(2,192°F ~ 2,273°F) 범위의 온도로 가열되어 금속 내부, 코일과 물 사이에 가파른 열 구배가 생성됩니다.

이러한 구배는 금속의 미세한 입자를 훨씬 더 큰 "기둥형" 입자로 변환시키는 원인이 되었습니다. 단어에서 알 수 있듯이, 새로운 입자는 금속 내에서 가장 큰 응력의 축과 정렬된 기둥 형태를 취했습니다.

막대의 경우 최적의 효과는 1,235°C(2,255°F)의 온도와 시간당 2.5mm의 인발 속도에서 발생하는 것으로 나타났습니다. 과학자들은 이 속도를 높이기 위해 노력하고 있습니다. 말할 필요도 없이, 다른 조합은 다른 금속에 더 잘 작용할 것입니다. 실제로 3D 프린팅 부품의 용도에 따라 처리되는 온도와 속도를 변경하여 단일 품목 내에서 입자 구조를 변경할 수 있습니다.

현재 계획에 따르면 지속적인 기계적 스트레스와 높은 열을 견뎌야 하는 가스 터빈이나 제트 엔진의 블레이드와 유사한 구조에서 이 기술을 테스트해야 합니다. 실제로 크리프 현상이 덜 발생하는 것으로 입증되면 더 좋고 효율적인 설계를 위한 길을 열 수 있습니다.

Cordero는 "새로운 블레이드와 베인 형상은 보다 에너지 효율적인 육상 기반 가스 터빈은 물론 궁극적으로 항공기 엔진을 가능하게 할 것"이라고 말했습니다. "이는 기본 관점에서 볼 때 이러한 장치의 효율성 향상을 통해 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있습니다."

이 연구에 관한 논문은 최근 Additive Manufacturing 저널에 게재되었습니다.

출처: MIT