[논문 리뷰] A Review of the Anomalies in Directed Energy Deposition (DED) Processes and Potential Solutions

Michael Liu, Abhishek Kumar외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 23.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 97인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 금속 적층 제조에서 Directed Energy Deposition (DED) 공정의 내재된 이상 현상—왜곡, 기포, 조성 변동성 등—을 부품, 공정, 재료, 생산성, 안전성, 수리, 기능적 기울기 등의 카테고리로 분류하여 검토한다. 포괄적인 문헌 검토를 바탕으로 근본 원인을 규명하고 완화 전략을 제안하며, DED의 신뢰성 향상과 주류 제조 산업에의 도입을 위한 기초 가이드로 기능한다.

ABSTRACT

Directed Energy Deposition (DED) processes offer one of the most versatile current techniques to additively manufacture and repair metallic components that have generatively designed complex geometries, and with compositional control. When compared to powder bed fusion (PBF), its applicability and adoption has been limited because several issues innate to the process are yet to be suitably understood and resolved. This work catalogs and delineates these issues and anomalies in the DED process along with their causes and solutions, based on a state-of-the-art literature review. This work also serves to enumerate and associate the underlying causes to the detrimental effects which manifest as undesirable part/process outcomes. These DED-specific anomalies are categorized under groups related to the part, process, material, productivity, safety, repair, and functional gradients. Altogether, this primer acts as a guide to best prepare for and mitigate the problems that are encountered in DED, and also to lay the groundwork to inspire novel solutions to further advance DED into mainstream manufacturing.

연구 동기 및 목표

• 금속 적층 제조에서 Directed Energy Deposition (DED) 공정에 영향을 주는 주요 이상 현상을 체계적으로 분류하고 분석하는 것.
• 부품의 무결성, 공정 제어, 재료 거동, 생산성, 안전성, 수리 품질, 기능적 기울기 등의 다수 카테고리에서 이러한 이상 현상의 근본 원인을 규명하는 것.
• 현재 최신 기술 연구를 바탕으로 기존 해결책과 완화 전략을 체계적으로 통합하는 것.
• 연구자와 엔지니어가 공정 개발 및 산업 구현 과정에서 DED 전용 문제를 사전에 예측하고 방지하고 해결할 수 있도록 참고 가이드로 기능하는 것.
• DED 기술 분야의 해결되지 않은 과제와 지식 격차를 부각시켜 향후 혁신을 이끌어내는 것.

제안 방법

• 2020년 이전에 출판된 DED 공정에 관한 동료 심사 논문을 체계적으로 검토하는 것.
• 부품, 공정, 재료, 생산성, 안전성, 수리, 기능적 기울기의 7개 주제 카테고리로 관측된 이상 현상을 분류하는 것.
• 검토된 문헌의 실험 및 시뮬레이션 데이터를 활용해 각 이상 현상의 근본 원인을 분석하는 것.
• 각 이상 현상이 초래하는 악성 결과(예: 기포가 피로 수명을 감소시키는 것)를 매핑하는 것.
• 공정 파arameter 최적화, 인-스위트 모니터링, 재료 피드스톡 개선 등의 기존 해결책을 통합하는 것.
• 식별된 고장 모드를 바탕으로 공정 선택, 문제 해결, DED를 위한 설계를 안내하는 체계적 프레임워크를 제시하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Directed Energy Deposition (DED) 공정을 통해 제조된 부품의 품질과 신뢰성에 영향을 주는 주요 이상 현상은 무엇인가?
• RQ2 이러한 이상 현상의 근본 원인은 공정 파arameter, 재료 거동, 시스템 역학 측면에서 무엇인가?
• RQ3 이러한 이상 현상은 기계적 무결성, 치수 정확도, 표면 품질 등 부품 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 DED 전용 이상 현상을 완화하기 위한 가장 효과적인 현재의 해결책과 제어 전략는 무엇인가?
• RQ5 이러한 이상 현상에 대한 체계적 이해는 DED가 주류 산업 제조로의 전환을 지원하는 데 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• DED에서 기포 형성의 주요 원인은 융해 풀의 안정성 부족, 기체의 갇힘, 레이저/아크 에너지 분포의 부적절함이다.
• 열적 왜곡과 잔류 응력은 특히 박판 또는 오버행 구조에서 기하학적 정확도 저하의 주요 원인이다.
• 빠른 응고와 균일하지 않은 재료 공급 속도로 인해 조성 분리 및 미세구조의 비균일성이 발생한다.
• 공정 중 모니터링 부족과 실시간 피드백 시스템의 결여는 공정 불안정성과 결함의 확산에 크게 기여한다.
• 수리 응용 분야는 기초 재료의 희석과 수리 영역에서의 잔류 응력 집중이라는 고유한 과제를 안고 있다.
• 기능적 기울기 부품은 열팽창 계수의 불일치와 공정 유도 잔류 응력으로 인해 계면 균열과 물성 기울기의 문제가 발생하기 쉽다.