현재 대한민국 육군에서 사용되고 있는 UH-60P “블랙호크” 헬리콥터 랜딩기어의 고정 핀은 헬리콥터가 지상 활주 시 방향이 바뀌지 않도록 바퀴를 고정시키는 역할과 함께 고정된 상태에서 핀에 큰 힘이 가해지면 핀은 파손되면서 랜딩기어 전체 시스템의 파손을 막는 역할을 한다.
이런 고정 핀 파손의 원인은 통상 조종사의 실수로 고정해제를 하지 않고 과도한 조작으로 인한 큰 힘이 가해져 파손된다. 문제는 고정 핀의 파손이 상당히 잦아 부품의 소요가 크며 전적으로 수입에 의존하고 있어 원활한 공급이 제한되면 전투력 공백으로 이어져 국가적 손실로 번지는 문제이다.
이 논문의 목적은 위와 같은 문제를 해결하고자 3D모델링 도면과 프린팅 장비만 있으면 언제 어디서든 즉각 프린팅이 가능한 금속 3D 프린팅 제조 방법으로 국내 생산하여 즉각 조달이 가능토록하기 위함이며 이를 위해 고정 핀의 역 설계, 재료 분석, 유한요소해석을 통해 핀의 파손원인 분석과 금속 3D 프린팅 공정해석을 통해 잔류 응력 및 변형이 적은 부품 프린팅과 에너지 밀도별 3D 프린팅 시편의 밀도를 측정한 기공률 분석을 통해 내부 기공이 적은 프린팅 조건을 찾는 것이다.
Additive manufacturing 중에서 PBF 방식의 금속 프린팅은 가장 보편화 되어 있는 기술로서 높은 해상도로 부품을 출력할 수 있음은 물론 다양한 금속 분말을 사용하여 프린팅이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 부품출력 후에 잔류응력에 의한 부품의 변형과 다양한 물리적 원인으로 발생하는 기공은 부품의 기계적 특성에 좋지 않은 영향을 미친다.
특히 금속 3D 프린팅의 경우 다양한 공정변수가 존재하며 이런 공정변수들은 금속 3D 프린팅의 에너지 밀도를 결정한다. 프린팅 시 높은 에너지 밀도의 프린팅은 부품에 큰 잔류응력이 생기게 되고 이는 심한 변형을 초래하며 크기가 작은 다수의 기공이 부품 내부에 존재한다. 반면에 낮은 에너지 밀도의 프린팅 조건은 프린팅 공정에서 적은 열응력이 발생되어 변형은 적지만 적층과정에서 낮은 열에너지 때문에 충분한 크기의 용융풀이 형성되지 않아 층과 층 사이에 공기층이 형성되어 넓고 거친 형태의 기공 포함한다. 따라서 적은 변형과 기공으로 프린팅 할 수 있는 최적의 에너지 밀도를 찾아 프린팅 하는 것이 중요한 문제이다.
또한 에너지 밀도에 따른 공정해석과 기공률 측정을 통해 파워 220W(85.9J/) ∼ 230W(89.8J/), 속도 890mm/s(87.78J/) 이하에서 급격한 변형이 발생함을 볼 수 있으며 파워 210W(82.03J/) ∼ 240W(93.75J/)사이에서 금속분말이 가장 잘 용융되어 기공 (Pores)이 가장 적은 것으로 확인되었다. 또한 속도 830mm/s (94.13 J/) ∼ 920mm/s (84.92J/)사이에서 역시 낮은 기공률을 보였다. 변형량과 기공률을 종합적으로 고려했을 때 3D프린팅 출력을 위해서는 에너지 밀도 85J/ 부근 (파워 250W, 속도 920mm/s)에서 출력하면 가장 적은 기공과 변형으로 부품 출력이 가능할 수 있음을 확인하였다.
또한 열처리 (HIP, hot isostatic pressing)를 통해 잔류응력을 제거하여 향상된 기계적 물성을 보였으며 열처리 전 후의 미세조직 분석결과 기공을 비롯한 결함이 없어졌으며 표면 역시 미세골절 (microvoid coalescence) 형상이 관측되었다.

The wheel lock-pin of UH-60P "Black hawk" helicopter landing gear currently used by the Republic of Korea Army (ROKA) is used to fix the wheels so that the helicopter does not change its direction when the helicopter taxing on the ground. When a large force is applied to the lock-pin in a static state, the lock-pin is failed and serves to prevent damage to the entire system of the landing gear. The cause of the failure of the lock-pin is usually caused by the mistake of the pilot. The problem is that the failure of the lock-pin is very frequent and the part depends entirely on imports. If the supply is not smooth, it leads to a loss of power and leads to a national loss.
The purpose of this study is to make it possible to procure domestic when needed. Therefore, it is necessary to identify the causes of tail wheel lock-pin failure through reverse design, material analysis and failure analysis through finite element analysis, and fabrication of lock-pin with process analysis.
The lock-pin is broken on the ground before the helicopter takes off. The reason is that the pilot generates tail rotor thrust in “lock” state where the lock-pin is engaged. And a shear load of about 10.04kN acts on the pin. This load is a direct cause of the failure of the lock-pin. and the reliability of the failure prediction model was verified by comparing the shear stress and Von-mises stress values ​​applied to the failure point with the finite element analysis.
Among the additive manufacturing, A PBF technique is the most common technology, and it has the advantage that it is possible to output parts at high resolution and to print using various metal powders. However, after the part output, the deformation due to residual stress and the pores generated by various physical phenomenon adversely affect the mechanical properties of the part. In particular, for metal 3D printing, there are various process parameters which determine the energy density of metal 3D printing. Printing with a high energy density at the time of printing, the results in a large residual stress on the part, which causes large deformation. Printing with a low energy density does not sinter the metal powder and the result including many porosity. Therefore it is important to find and print an appropriate energy density.
In addition, the process analysis and porosity measurement with respect to energy density show the large deformation under the 220W (85.9J/) to 230W(89.8J/) and 870mm/s(90J/) to 890mm/s(88J/). On the other hand, 210W(82.03J/) to 240W(93.75J/) and 830mm/s(94.13J/) to 920mm/s (84.92J/) exhibit the lowest porosity.
Considering the amount of deformation and porosity, A optimum PBF metal 3D printing conditions with the lowest porosity and deformation is energy density of 85J/(250W, 920mm/s).
Electron back scatter diffraction (EBSD) inverse polo figure (IPF) maps and grain size distributions of the as-built specimens under the optimum conditions of 250W and 920mm/s confirm the re-crystallization of grains in the building process. Most grains exhibit a <001> texture and a columnar structure characteristic of PBF along the printing track because the <001> direction is the preferred orientation that facilitates the release of latent heat of melting during solidification of face centered cubic(FCC) structures. In addition, there is small and homogeneous grain distributions (>95.3% at 0–25μm), which shows excellent mechanical properties.
HIP treatment has a substantial effect on microstructure. The grains exhibited a fully recrystallized structure and microvoid coalescence. After HIP treatment, the yield strength and ultimate strength increased by 30.2% and 23.5%, respectively, elongation at break decreased by 18.2%, and the density increased by 1.2% because 17-4PHSS is not fully martensitic in the manufacturing process and 17-4PHSS contains austenite owing to its high solidification rate. This prevents the formation of martensite, thereby forming the austenite microstructure and after HIP-treated, lager equiaxed grain exists due to nucleation growth. This could affect the mechanical properties of the material.

• 제1장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 목적 1
• 1.2. 이론 3
• 1.2.1 응력(Stress) 3
• 1.2.2 응력-변형률 선도(Stress-Strain Curve) 3
• 1.2.3 항복강도(Yield Strength) 4
• 1.2.4 인장강도(Tensile Strength) 4
• 1.2.5 항복조건(Yield Condition) 5
• 1.2.6 최대 전단 응력설(Tresca) 5
• 1.2.7 최대 변형률 에너지설(Von Mises) 5
• 1.2.8 SEM / EDS 분석 원리 6
• 1.2.9 3D 프린팅의 특성 7
• 1.2.10 금속 3D 프린팅 공정해석과 에너지 밀도 8
• 1.2.11 기공이 기계적 물성에 미치는 영향 12
• 1.2.12 Lack of fusion porosity 13
• 1.2.13 Keyhole effect porosity 14
• 제2장 재료 분석 및 파손원인 분석 15
• 2.1. EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석 15
• 2.1.1 시편 준비 15
• 2.1.2 재료 분석 15
• 2.1.3 재료 선정 17
• 2.2. 응력해석 (Analysis of Stress) 19
• 2.2.1 헬리콥터 자유물체도 19
• 2.2.2 Von mises 파손계산 25
• 2.2.3 유한요소 해석 26
• 제3장 금속 3D 프린팅을 통한 부품 제작 30
• 3.1. 금속 3D 프린팅 연구의 필요성 30
• 3.2. 금속 3D 프린팅 공정 해석 32
• 3.2.1 공정 해석 모델 구축 32
• 3.2.2 공정 해석 모델 구축 결과 35
• 3.2.3 공정 해석 36
• 3.3. PBF 3D 프린팅용 stainless steel 재료 검증 38
• 제4장 결과 및 고찰 40
• 4.1. 고정 핀 파손 원인 40
• 4.2. 공정 해석 결과 41
• 4.2.1 잔류응력 41
• 4.2.2 변형량 43
• 4.2.3 공정해석 잔류응력 및 변형량 검증 44
• 4.3. 기공 분석 결과 45
• 4.4. 미세조직 분석 결과 50
• 4.5. 열처리 분석 결과 51
• 제5장 결론 54
• 참고문헌 57
• Abstract 62