서론 및 배경
메탈릭 셀룰러 소재는 경량화 및 다기능 응용 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 특히, 삼중 주기 최소 표면(TPMS) 구조는 인체 뼈의 생체 모방 기하학을 잘 묘사할 수 있는 이상적인 구조로 알려져 있습니다. 그러나 3d 프린팅 TPMS의 성능에 영향을 미치는 주요 변수인 수준 집합 값(level-set value)에 대한 이해는 아직 부족합니다. 이전 연구들은 주로 TPMS의 셸 두께, 셀 크기 및 주기성에 초점을 맞췄기 때문입니다.
3d 프린팅 연구 목적
이 연구는 Al-Si10-Mg 기로이드 표면의 다양한 수준 집합 값을 이용해 제작된 샘플의 기계적 거동 및 에너지 흡수 특성을 조사하는 것을 목표로 합니다. 이를 통해 수준 집합 값이 기로이드 표면의 변형 거동에 미치는 영향을 예측하고 제어할 수 있는 기초 데이터를 제공합니다.
3D 프린팅은 디지털 모델을 기반으로 재료를 층층이 쌓아 물체를 만드는 기술입니다. 주로 플라스틱, 금속, 세라믹 등을 사용하며, 복잡한 형상의 제품을 신속하고 정밀하게 제작할 수 있습니다. 의료, 항공, 자동차, 건축 등 다양한 산업에서 활용되며, 맞춤형 제품 생산과 제조 비용 절감에 기여합니다. 특히, 의료 분야에서는 맞춤형 임플란트와 보형물 제작에 혁신적인 변화를 일으키고 있습니다. 3D 프린팅은 제조업의 패러다임을 변화시키며 미래 기술로 주목받고 있습니다.
재료 및 실험 방법
샘플 디자인 및 제작
이 연구에서는 AleSi10eMg 합금을 사용하여 다양한 수준 집합 값을 가진 기로이드 표면 샘플을 SLM(Selective Laser Melting) 공정을 통해 제작했습니다. 각 샘플은 3x3x3 단위 셀로 구성되었으며, 셀의 한 변의 길이는 30mm입니다. 설계된 샘플은 Materialise Magics 소프트웨어를 이용해 슬라이싱 처리되어 3D 프린팅 준비를 마쳤습니다.
샘플 분석
SLM으로 제작된 샘플의 기하학적 편차와 제조 결함을 조사하기 위해 마이크로 X-선 컴퓨터 단층촬영(Micro-CT)과 주사 전자 현미경(SEM)을 사용했습니다. 또한, 샘플의 기계적 특성과 에너지 흡수 특성을 조사하기 위해 압축 시험을 수행하고, 이를 유한 요소(FE) 분석과 비교했습니다.
결과 및 토론
샘플의 표면 품질 및 제조 결함
Micro-CT를 통해 재구성된 모델과 교차 섹션을 분석한 결과, 프린팅 방향과 수직 또는 반대 방향으로 향하는 표면에서 더 거친 표면 품질과 미완성 입자의 부착이 관찰되었습니다. 이는 프린팅 과정 중 셸이 오버행 상태에 있기 때문입니다. 이러한 입자는 두께 변화를 증가시키고 표면 거칠기를 증가시키며, 구조의 기하학적 편차를 유발합니다.
기계적 특성 및 에너지 흡수
압축 시험 결과, 각 샘플의 압축 응력-변형 곡선은 선형 탄성 구간, 장기 평탄 응력 구간, 그리고 최종 밀집화 구간으로 나뉩니다. 시험 결과와 FE 예측 결과는 대체로 일치했으나, 초기 피크 응력 이후 실험 곡선에서의 응력 변동은 FE 모델에서는 포착되지 않았습니다. 이는 두께 변화와 제조 결함이 FE 모델에 반영되지 않았기 때문입니다.
기계적 성질에 대한 Gibsone-Ashby 모델 적용
Gibsone-Ashby 모델을 사용하여 Young’s 모듈러스와 평탄 응력에 대한 상대 밀도의 영향을 조사했습니다. 실험 결과와 FE 예측 결과 모두 수준 집합 값이 증가할수록 Young’s 모듈러스와 평탄 응력의 피팅 지수도 증가하는 경향을 보였습니다. 이는 기로이드 표면 구조의 변형 거동이 휘어짐 지배형 거동으로 변화함을 시사합니다.
에너지 흡수 능력
샘플의 에너지 흡수 능력은 주로 밀집화 변형율과 평탄 응력에 의해 결정됩니다. 수준 집합 값이 작을수록 밀집화 변형율이 크고, 이는 구조의 에너지 흡수 능력을 증가시킵니다. 그러나 두께가 증가함에 따라 수준 집합 값이 큰 경우 밀집화 변형율이 크게 감소하여 에너지 흡수 능력이 감소하는 경향을 보였습니다.
3D 프린팅은 에너지 흡수 능력이 뛰어난 구조물을 제작하는 데 중요한 역할을 합니다. 특히, 기하학적으로 복잡한 구조와 트리폴리 주기적 최소 표면(TPMS) 구조는 충격을 효과적으로 흡수할 수 있어 안전성과 내구성이 필요한 분야에 유용합니다. 예를 들어, 자동차 충돌 방지 시스템, 방탄 장비, 스포츠 보호 장비 등에 활용됩니다. 3D 프린팅을 통해 제작된 에너지 흡수 구조물은 경량이면서도 높은 충격 흡수 성능을 제공하며, 이를 통해 제품의 효율성과 안전성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
결론
이번 연구는 다양한 수준 집합 값을 가진 AleSi10eMg 기로이드 표면 구조의 압축 응답을 실험적으로 및 FE 시뮬레이션을 통해 조사했습니다. 주요 결과는 다음과 같습니다:
- 표면 거칠기: 표면의 정상 방향에 따라 거칠기가 다르며, 프린팅 방향과 수직 또는 반대 방향으로 향하는 표면이 더 거칩니다.
- 기계적 특성: FE 예측 결과와 실험 결과는 대체로 일치했으나, 수준 집합 값이 큰 경우 응력 변동이 더 뚜렷하게 나타났습니다.
- 에너지 흡수 능력: 수준 집합 값과 두께의 조합에 따라 에너지 흡수 능력이 크게 달라집니다.
이번 연구 결과는 기로이드 표면 구조의 설계 최적화를 위한 유용한 정보를 제공하며, 임플란트 및 에너지 흡수 응용 분야에서 다양한 기계적 특성을 가진 구조물을 설계하는 데 기여할 수 있습니다.