바인더젯팅 적층제조 소재의 이방성 재료물성 특성화|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 바인더젯팅 적층제조 방법으로 제작된 소재에 대한 이방성 재료물성 특성화를 다룬다. 적층제조 방법은 기존 생산공정에 비해 공정 단계가 단축되는 등 여러 장점을 가지고 있다. 그 중, 분말을 이용하는 바인더젯팅은 높은 생산성으로 양산 적용에 각광 받는 적층제조 방법이다. 부품 설계 및 생산하는 과정에서 신뢰도 높은 시뮬레이션 결과가 요구됨에 따라 재료물성 및 유한요소 모델링에 대한 정밀한 분석이 중요하다. 바인더젯팅 적층제조 방법을 통해 제작된 소재는 공정 변수에 따른 물성이 상이하고 공정 특성상 방향에 따라 물성이 다른 이방성이 존재한다. 이에 따라 적절한 공정변수 설정, 이방성 평가 및 분석을 통한 물성 특성화가 필수적으로 요구된다. 본 연구에서의 대상 소재는 SUS316L 오스트나이트계 스테인리스 강으로 적절한 공정변수를 제안하기 위해 바인더젯팅 적층제조 공정 중, 소재의 밀도에 가장 많은 영향을 끼치는 변수인 소결온도를 1150℃, 1250℃, 1350℃로 설정하였다. 소결온도에 따른 상대밀도를 분석하고 이방성을 고려한 물성시험을 위해 적층방향을 기준으로 0°, 45°, 90°에 해당하는 시편을 채취하였다. 준정적 변형률속도 0.001/s로 인장시험을 수행하고 소결온도에 따른 방향 별 물성을 평가하였으며, 소결재 및 파단부의 미세조직을 분석하고 적절한 소결온도를 선정하였다. 더 높은 밀도를 얻기 위해 소결된 소재에 추가적으로 열간등방압 가압법과 냉간등방압 가압법의 후처리 공정을 적용하였다. 소재의 밀도 변화를 측정하고 동일한 조건으로 인장시험을 수행하여 후처리 전후의 소재의 기계적 특성을 비교 및 분석하였다. 이를 기반으로 목적에 따른 적절한 공정변수 및 후처리 방법을 제안하였다. 기공이 존재하는 소결재의 비대칭 물성을 평가하기 위하여 압축시험을 수행하여 단축 인장 물성과 비교하였다. 바인더젯팅 적층소재의 복잡한 변형거동을 정확하게 예측하기 위해 경화거동과 항복거동으로 구성방정식을 정의함으로써 물성을 특성화하였다. 다양한 경화식을 이용하여 적층소재의 경화거동을 잘 모사하는 적절한 경화식을 선정하였다. 항복거동의 경우 적층방향에 대한 이방성과 비대칭성을 모두 고려할 수 있는 항복함수를 이용하여 구성방정식을 정의하였다. 정의된 구성방정식의 유효성을 검증하기 위하여 굽힘 시험에 대한 시험과 유한요소해석을 수행하였다. 등방성 및 이방성 구성방정식을 유한요소해석에 적용하여 굽힘 시험 모사 시뮬레이션을 수행하고 시험 결과와 비교 분석하였다. 제안된 이방성 구성방정식을 적용한 경우, 시험 결과를 매우 잘 모사하는 것을 확인하였다. 이러한, 바인더젯팅 소재에 대한 고등 구성방정식의 구성은 신뢰도 높은 해석 결과를 얻기 위하여 필수적이며 바인더젯팅 적층소재의 활용 및 산업화에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.

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본 논문은 바인더젯팅 적층제조 방법으로 제작된 소재에 대한 이방성 재료물성 특성화를 다룬다. 적층제조 방법은 기존 생산공정에 비해 공정 단계가 단축되는 등 여러 장점을 가지고 있다....

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper addresses the characterization of anisotropic material properties for additively manufactured material by binder jetting. Additive Manufacturing(AM) has many advantages to realize a complex shaped components compared with traditional manufacturing methods. The binder jetting method(BJT), an efficient AM process with metal powders, is being focused for the mass-production and the industrialization due to its high productivity. It is important to precisely characterize the material properties and the FE modeling as reliable simulation results are required in component designs and production processes. Materials additively manufactured by binder jetting shows significantly different material behavior regarding the process variable such as the sintering temperature. Furthermore, the BJT material has the anisotropy that material properties vary according to the orientation from the building direction. Therefore, it is essential to acquire appropriate process variables and to evaluate anisotropic material properties in detail. In this study, the target material was selected with SUS316L, austenitic stainless steel. To propose a proper set of process variables, the sintering temperature which is a key-factor to control the material density, was mainly addressed with different conditions of 1150°C, 1250°C and 1350°C. The relative density was analyzed from the sintered materials at various temperatures. Specimens were fabricated along 0°, 45°, 90° from the building direction to perform material tests considering the anisotropy. Tensile tests were carried out at the quasi-static strain rate of 0.001/s to investigate directional properties with regard of the sintering temperature. Microstructural study in as-sintered and fractured samples was then conducted to determine an appropriate sintering temperature. Two different post-processing methods with the isostatic pressure were applied to the as-sintered materials to achieve higher relative density. After the post-processing, changes in the relative density and the material properties were evaluated through the measurement of the density and the mechanical testing, respectively. An appropriate set of process variables including the post-processing was proposed to control the material properties for industrial purposes. To identify the asymmetric properties of porous materials sintered, compression tests were conducted to compare the material behaviors in uniaxial tension and compression. The complex deformation behavior of the BJT material was characterized with a constitutive equation containing the yield function and the hardening law. For the hardening, various hardening equations were examined to find out the best-fit model. A representative advanced yield function was employed to describe both anisotropy and asymmetry. The defined constitutive equation was then validated by comparing experimental and FE simulated results of bending tests. The FE simulations were conducted with the isotropic and the anisotropic constitutive equations to predict the deformation in the bending test. The FE result with the anisotropic constitutive law shows a good agreement with the experiment. It is noted that the advanced constitutive equation is necessary to obtain reliable simulation results. The material modeling technique for the BJT materials would be useful for extension of application of the binder jetting process in many industries.

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목차 (Table of Contents)

제1장 서론
1.1 연구배경
1.2 문헌조사
1.3 연구목적 및 연구범위
제2장 이론적 배경

제1장 서론
1.1 연구배경
1.2 문헌조사
1.3 연구목적 및 연구범위
제2장 이론적 배경
2.1 경화식
2.2 이방성 항복함수
제3장 바인더젯팅 적층제조 소재 제작 및 물성 평가
3.1 바인더젯팅 적층제조 소재
3.1.1 제작 방법
3.1.2 인장시험 조건
3.1.3 인장시험 결과 및 분석
3.2 후처리 공정 적용
3.2.1 후처리 공정 조건
3.2.2 후처리 공정 소재 인장시험 결과 및 분석
3.3 압축물성 평가
3.3.1 압축시험 조건
3.3.2 압축시험 결과 및 분석
제4장 이방성 재료물성 특성화
4.1 인장 및 압축 이방성 거동
4.2 구성방정식 정의
4.2.1 경화거동 모델링
4.2.2 항복거동 모델링
4.3 유한요소해석을 통한 구성방정식의 유효성 검증
4.3.1 3점 굽힘 시험 조건 및 결과
4.3.2 유한요소해석 모델링 및 결과 비교
제5장 결론
참고문헌
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