[논문 리뷰] Mechanism of keyhole pore formation in metal additive manufacturing

Lu Wang, Yanming Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 06.

Additive Manufacturing Materials and Processes인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 레이저 기반 금속 적층 제조에서 키홀 다공성 형성 메커니즘을 시뮬레이션하기 위해 다물리컬 열유체 흐름 모델을 제안한다. 이 모델은 다공성 형성의 근본 원인이 키홀 불안정성과 응고 전면에서의 기포 고착 현상임을 규명한다. 주요 발견은 불균일한 반사 압력과 변동하는 에너지 흡수율이 키홀 붕괴와 다공성 형성의 원인이며, 저기압 환경은 반사 압력을 증가시키고 형태 왜곡을 감소시켜 키홀을 안정화함으로써 다공성을 억제함을 시사한다.

ABSTRACT

Metal additive manufacturing has gained extensive attention from research institutes and companies to fabricate intricate parts and functionally graded materials. However, the porosity of the as-built part deteriorates the mechanical property and even hinders the further application of metal additive manufacturing. Particularly, the mechanisms of keyhole pores associated with the keyhole fluctuation are not fully understood. To reveal the mechanisms of the keyhole pores formation, we adopt a multiphysics thermal-fluid flow model incorporating heat transfer, liquid flow, metal evaporation, Marangoni effect, and Darcy's law to simulate the keyhole pore formation process, and the results are validated with the in-situ X-ray images. The simulation results present the instant bubble formation due to the keyhole instability and motion of the instant bubble when it pins on the solidification front. Moreover, the unevenly distributed recoil pressure on the keyhole surface is an important factor for keyhole collapse and penetration. Furthermore, comparing the keyhole pore formation under different laser scanning speeds shows that the keyhole pore is sensitive to the manufacturing parameters. The keyhole fluctuation features and energy absorptivity variation on the rear keyhole wall could be metrics to evaluate the likelihood of the keyhole pore formation. Additionally, the simulation under a low ambient pressure shows the feasibility of improving the keyhole stability to reduce and even avoid the formation of keyhole pores.

연구 동기 및 목표

• 레이저 기반 금속 적층 제조 중 키홀 용융 모드에서 키홀 다공성 형성의 근본적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 특히 키홀 불안정성과 동적 힘의 역할에 대한 직접적 관찰과 정량적 설명의 부족을 보완하기 위해.
• 특히 레이저 스캐닝 속도를 포함한 제조 공정 매개변수의 키홀 다공성 형성과 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 저기압 조건을 통해 키홀 다공성을 감소 또는 제거할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 정확성과 물리적 신뢰성을 확보하기 위해 시뮬레이션 결과를 실시간 X선 영상 데이터와 비교 검증하기 위해.

제안 방법

• 열전달, 비압축성 뉴턴 유체 흐름, 마랑고니 대류, 금속 기화, 그리고 다공성 영역 저항에 대한 다르시의 법칙을 통합한 다물리컬 열유체 흐름 모델 개발.
• 기하학적 형상과 입사각에 기반해 키홀 표면의 공간적으로 변화하는 에너지 흡수율을 계산하기 위해 레이저 레이트레이싱 기법 통합.
• 용융 풀 내 부력과 온도에 따라 변화하는 표면장력에 기인한 표면장력 기울기를 모델링하기 위해 부소니끄 근사법 적용.
• 고체화 수지가 형성하는 다공성 영역 내 저항을 시뮬레이션하기 위해 다르시-포르쉐머 모델 적용. 이는 기포 운동과 키홀 진동에 영향을 미친다.
• 레이저 스캐닝 속도와 기상 압력(1 atm 대비 10⁻⁴ atm)을 변화시켜 키홀 역학의 민감도와 안정성 평가.
• 실시간 X선 영상 데이터와의 비교를 통해 시뮬레이션된 기포 형성 및 고착 행동의 물리적 정확성을 확보하기 위한 검증 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 기반 금속 적층 제조 중 키홀 다공성 형성의 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 특히 불균일한 반사 압력 분포로 인한 키홀 불안정성이 키홀 붕괴와 다공성 핵형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 용융 풀의 유동성과 다공성 영역에서의 마찰력이 기포를 갇히고 다공성을 형성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 레이저 스캐닝 속도의 변화가 키홀 다공성의 크기, 형태, 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 저기압 조건이 반사 압력을 증가시키고 키홀 기하학을 안정화시킴으로써 키홀 다공성 형성을 감소 또는 제거할 수 있는가?

주요 결과

• 키홀 다공성 형성은 두 단계로 이루어지며, (1) 불균형한 반사 압력으로 인해 뒷벽에서 순간적으로 기포가 생성되고, (2) 응고 전면에서 높은 하향 유동 속도로 인해 수직 방향의 마찰력이 발생하여 기포가 고착된다.
• 다공성 영역에서의 마찰력은 용융 풀 저면의 키홀 진동을 결정하는 데 핵심적이며, 입자 형태를 반영한 다르시 마찰 모델이 정확한 시뮬레이션을 위해 필수적이다.
• 레이저 스캐닝 속도가 증가할수록 키홀 다공성 크기가 크게 감소하며, 기포들은 더 구형에 가까워지고 용융 풀 저면에서 수평으로 분포한다.
• 특히 뒷벽에서의 키홀 깊이와 에너지 흡수율의 변동은 다공성 형성 가능성을 강력히 예측하며, 표준편차가 낮을수록 다공성이 감소함을 나타낸다.
• 저기압(10⁻⁴ atm) 조건에서는 뒷벽에서 반사 압력이 증가하여 키홀 형상이 안정화되고, 에너지 흡수율의 변동성이 감소하여 시뮬레이션에서 키홀 다공성이 관측되지 않는다.
• 저기압 조건에서는 대기압 조건보다 에너지 흡수율의 표준편차가 낮아, 키홀 왜곡이 감소하고 안정성이 향상됨을 시사한다.