혁신적인 마이크로파 기술로 산업용 부품의 3D 프린팅 내구성 향상

앤드류 코셀리

3D 프린팅은 제트 엔진과 발전소용 부품 제작 방식을 바꿀 수 있지만 그 과정에서 재료가 부서지는 원인이 되는 미세한 구멍이 남습니다.

International Journal of Extreme Manufacturing에 게재됨   , 다롄 공과대학교 Fangyong Niu 교수팀은 색다른 방법으로 문제를 해결했을 수도 있습니다. 그들은 전자레인지를 추가했습니다.

극심한 산업 열을 견딜 수 있는 구성 요소를 만들기 위해 엔지니어는 다상 산화물 세라믹, 특히 알루미나, 이트리아 안정화 지르코니아 및 이트륨 알루미늄 가넷의 혼합물에 의존합니다. 기존 금속은 이러한 조건에서 녹지만 이러한 내열성 세라믹을 복잡한 부품으로 성형하는 것은 엄청나게 어렵고 에너지 집약적입니다.

여기 독점 기술 요약이 있습니다. Niu와의 인터뷰 — 길이와 명확성을 위해 편집됨 —

기술 요약 :이 하이브리드 기계를 제작하면서 직면했던 가장 큰 기술적 과제는 무엇이었습니까?

뉴팡용: 의심할 여지 없이 우리가 직면한 가장 어려운 기술적 과제는 매우 역동적인 제조 환경에서 전자파 누출을 방지하는 것이었습니다. 기존의 정적 마이크로파 캐비티(가정용 전자레인지 등)와 달리 당사의 하이브리드 기계는 이중 로봇 조정 시스템을 사용하여 증착 경로를 제어합니다. 3D 구성 요소를 층별로 구축하려면 기판을 고정하는 고온 지지 막대가 지속적으로 움직여야 합니다. 이 연속적이고 복잡한 움직임은 엄청난 밀봉 문제를 야기했습니다. 로봇이 움직이는 동안 약간의 틈이나 불일치가 있으면 심각한 전자파 누출이 발생할 수 있으며, 이는 작업자와 근처의 민감한 전자 장비 모두에 심각한 안전 위험을 초래합니다.

이러한 병목 현상을 극복하기 위해 우리는 고정관념에서 벗어나 생각해야 했습니다. 우리는 로봇 지지대와 동시에 움직이는 맞춤형 유연한 마이크로파 차폐 슈라우드를 설계했습니다. 이 슈라우드는 엄격하고 깨지지 않는 전자기 밀봉을 유지하면서 로봇의 움직임을 수용하도록 모양을 동적으로 조정합니다. 이 설계 덕분에 우리는 전체 인쇄 과정에서 마이크로파 누출을 안전 표준(<5mW·cm-2) 이하로 엄격하게 유지하는 데 성공했습니다. 이러한 안전 및 밀봉 문제를 해결하는 것이 이후의 모든 재료 발견을 가능하게 하는 중요한 첫 번째 단계였습니다.

기술 요약 :어떻게 작동하는지 간단하게 설명해주실 수 있나요?

마이크로파 장을 레이저 적층 제조에 통합함으로써 향상된 용융 풀 제어, 기공 제거 및 미세 구조 조절을 통해 밀도가 높고 구조적으로 균일한 나노 Al2O3/YAG/ZrO2 삼원 공융 세라믹이 달성됩니다. (이미지:Xuexin Yu, Weiming Bi, Songlu Yin, Dongjiang Wu, Guangyi Ma, Danlei Zhao 및 Fangyong Niu)

니우: 핵심적으로 우리 기계를 산업용 전자레인지 내부에서 작동하는 고급 로봇 3D 프린터로 생각해보세요. 두 대의 동기화된 로봇이 레이저를 사용하여 세라믹 부품을 층별로 제작합니다. 차가운 세라믹은 전자레인지를 흡수하지 않기 때문에 우리는 영리한 설정을 사용합니다. 우리는 알루미나(Al2O3) 기판에 부품을 인쇄하지만 이 기판을 특수 탄화규소(SiC) 가열 베이스로 둘러쌉니다. 이 SiC는 '마이크로파 스펀지'처럼 작동합니다. 즉, 마이크로파를 즉시 흡수하고 첨단 핫플레이트처럼 가열됩니다. 이는 Al2O3 기판과 인쇄 영역을 적열 1473K에 도달할 때까지 따뜻하게 합니다. 이 임계점에서 세라믹 자체가 마이크로파를 직접 흡수하기 시작합니다. 그래서 레이저가 분말을 정밀하게 녹이는 동안 마이크로파는 자라나는 부분을 안쪽에서 바깥쪽으로 고르게 가열하는 글로벌 '내부 오븐' 역할을 합니다. 이 '내부 오븐'은 갇힌 가스(다공성)와 고르지 못한 미세 구조라는 두 가지 주요 문제를 해결합니다.

첫째, 모공을 제거합니다. 전자레인지가 녹은 부분을 가열하여 따뜻한 꿀처럼 흐르도록 하여 거품이 쉽게 떠오를 수 있도록 합니다. 더 좋은 점은 마이크로파 에너지가 '플라즈마 효과'를 유발한다는 것입니다. 즉, 미세한 기포 내부의 가스를 이온화하여 본질적으로 내부에서 외부로 파괴하고 다공성을 거의 0으로 떨어뜨립니다. 둘째, 균일한 구조를 만든다. 표준 3D 프린팅에서는 냉각이 고르지 않아 쌓인 레이어 사이에 거친 '상흔'이나 띠가 남습니다. 우리의 지속적인 마이크로파 가열은 이러한 가혹한 온도 변화를 제거합니다. 이러한 경계를 원활하게 다시 녹여 소재를 아름답고 균일하며 매우 안정적인 구성 요소로 성장시킬 수 있습니다.

기술 요약 :향후 연구/업무 등을 위한 정해진 계획이 있나요?

니우: 예, 우리는 다음 단계를 위한 매우 명확하고 전략적인 로드맵을 가지고 있습니다. 현재 우리가 출판한 연구에서는 이 마이크로파-레이저 하이브리드 기술을 활용하여 Al2O3/YAG/ZrO2 3원 공융 세라믹의 미세 구조와 특성을 제어하는 ​​방법을 강조합니다. 그러나 솔직히 말해서 이것이 우리가 이 방법을 설계한 주된 이유는 아닙니다. 우리의 주요 목표이자 다음 단계의 핵심 초점은 마이크로파의 독특한 체적 가열 효과를 활용하여 인쇄 과정 중 온도 변화를 크게 줄이는 것입니다. 이를 통해 잔류열응력을 효과적으로 낮추고, 부품의 크랙 ​​문제를 근본적으로 억제할 수 있습니다. 균열은 용융 성장 세라믹(MGC)의 레이저 적층 제조 규모를 확장하는 데 가장 악명 높은 장애물입니다. 이러한 응력으로 인한 균열을 마이크로웨이브 지원을 통해 근본적으로 해결함으로써 현재 부품 크기와 복잡성을 제한하는 주요 기술적 병목 현상을 극복할 것입니다.

또한 이러한 AYZ 삼원 공융 세라믹은 항공우주 엔진 및 고급 전력 시스템과 같은 극한 환경을 위해 특별히 설계되었으므로 후속 작업에서는 고온 성능을 특성화하는 데 중점을 둘 것입니다. 우리는 이중 에너지 전략으로 제작된 부품의 고온 기계적 특성을 엄격하게 테스트할 계획입니다. 우리의 궁극적인 목표는 이러한 재료가 실온에서 뛰어난 무결성을 나타낼 뿐만 아니라 까다로운 실제 산업 응용 분야를 충족하는 데 필요한 뛰어난 고온 안정성과 강도를 제공하도록 하는 것입니다.

기술 요약 :제가 언급하지 않은 내용 중에 추가하고 싶은 내용이 있나요?

니우: 저는 마이크로파-레이저 하이브리드 시스템과 같은 여러 에너지 장의 통합이 '극한 제조'의 중요한 패러다임 전환을 나타낸다는 점을 강조하고 싶습니다. 오랫동안 세라믹 적층 가공은 레이저를 사용하는 것처럼 단일 에너지원에 의존해 왔습니다. 그러나 단일 에너지 시스템은 특히 초고온, 가공이 어려운 재료를 다룰 때 본질적인 물리적 한계를 가지고 있습니다. 우리의 연구가 보여주는 것은 다양한 에너지 장을 지능적으로 결합함으로써 이러한 자연적 한계를 우회할 수 있다는 것입니다. 마이크로파는 체적 열 환경과 플라즈마 생성을 처리하고 레이저는 정밀한 용융을 제공합니다. 우리는 이 다중 에너지 하이브리드 접근 방식이 AYZ 세라믹을 위한 특정 솔루션이 아니라 더 광범위한 플랫폼 기술이라고 믿습니다. 이는 현재 '인쇄할 수 없는' 것으로 간주되는 다양한 첨단 재료의 적층 제조에 혁명을 일으킬 가능성이 있습니다. 우리는 이러한 변화의 최전선에 서게 되어 매우 기쁘며, 업계 파트너와 협력하여 이 기술을 실험실에서 항공우주 및 에너지 응용 분야로 가져오기를 기대하고 있습니다.

기술 요약 :자신의 아이디어를 실현하려는 연구자에게 조언을 해주실 수 있나요?

니우: 내 조언은 이론적 개념과 물리적 현실 사이의 격차를 해소하는 세 가지 실제 단계로 요약됩니다.

• 시뮬레이션을 통한 광범위한 검증:물리적 설정에 막대한 투자를 하기 전에 계산 모델과 시뮬레이션의 사용을 극대화하여 새로운 아이디어의 이론적 타당성을 엄격하게 검증하세요. 포괄적인 모델을 실행하면 잠재적인 물리적 장애물을 예측하고 초기에 설계를 최적화할 수 있습니다.
• 사전 실험을 위해 외부 리소스 활용:항상 처음부터 즉시 모든 것을 구축할 필요는 없습니다. 장비 공급업체 또는 협력 실험실의 역량을 최대한 활용하여 필요한 예비 테스트를 수행합니다. 이는 본격적인 약속을 이행하기 전에 구현 비용을 제어하고 핵심 매개변수를 검증하는 매우 효과적인 방법입니다.
• 번거로움을 수용하고 조치를 취하세요. 주저하지 말고 피할 수 없는 문제를 두려워하지 마세요. 이론에서 실제 시스템으로 전환하는 것은 항상 복잡하고 지저분합니다. 손을 더럽힐 만큼 용감하고, 좌절에 맞서 노력해야 합니다.

궁극적으로 훌륭한 아이디어는 엄격한 이론적 검증과 두려움 없는 실제 실행이 결합될 때만 결실을 맺게 됩니다.