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금속 파우더 프로파일링

본 문서는 금속 PBF(LPBF) 공정에서 신규 분말 또는 신규 응용 분야에 들어갈 때 공정 윈도우(Process Window)를 설정하고 결함을 줄이기 위한 표준 엔지니어링 프로토콜입니다.

1. 구역(Zone)별 에너지 밀도 정의 및 계산식

단면 안 열전도 환경(고체 금속 기반 방열과 분말 베드 기반 단열)에 따라, 슬라이서의 각 영역(Zone)에 적용하는 에너지 지표와 계산식을 나눠 관리합니다.

구역 (Zone)물리 지표계산 수식 및 단위공학적 세팅 원리 및 제어 목적
Single Track / Support Tip 선형 에너지 밀도 (LED) LED = P / v [J/mm] 비드 폭(w) 및 침투 깊이(d)를 결정하는 기초 1차원 지표
In-skin (Core Hatching) 체적 에너지 밀도 (VED) VED = P / (v · h · t) [J/mm³] 내부 벌크의 완전 용융 및 상대밀도(≥ 99.7%) 확보를 위한 표준 지표
Contour (Outer Border) 면적 에너지 밀도 (AED) AED = P / (v · dspot) [J/mm²] 형상 최외곽선에 적용. 표면 조도(Ra)와 치수 정밀도(Kerf) 제어
Down-skin (Overhang) 감쇠 VED / AED VEDdown = (0.5 ~ 0.7) × VEDcore 하부가 단열재인 분말층이므로, 과용융/처짐 방지를 위해 에너지를 30~50% 감쇠
Up-skin (Top Surface) 저전력·미세 VED VEDup = Plow / (vmod · hfine · t) 상향 경사면의 계단 현상 완화 및 상면 광택/조도 극대화

주요 변수 기호 정의

2. 4단계 프로파일링 로드맵 (Bottom-Up Approach)

새로운 분말을 적용할 때는 1D(선) → 3D(벌크 코어) → 2D(경계면/표면) → 구조체/물성 검증 순으로 좁혀 갑니다.

Phase 1: 단일 트랙(Single Track) 분석 — LED 기반

판정 기준 (용융풀 형상 기반. Keyhole 전이는 Rosenthal 전도모델의 적용 범위를 벗어나므로 실험적 d/w 관찰과 정규화 엔탈피로 별도 판정)

Phase 2: 인스킨(In-skin / Core) DoE — VED 기반

Phase 3: 컨투어(Contour) & 스킨(Down/Up) DoE — AED 기반

확정된 코어 파라미터를 기준으로 외벽 치수 공차와 표면 거칠기를 맞춥니다.

Phase 4: 서포트(Support) 및 실제품 기계적 물성 검증

3. 레이어 내 레이저 스캔 표준 순서

한 단면 안에서 열 누적과 치수 왜곡을 줄이는 조사 순서입니다.

  1. Support 조사: 베이스 플레이트와 파트 지지대 구조를 먼저 소결합니다.
  2. Down-skin 조사: 분말 위에 앉는 하면을 낮은 에너지로 먼저 소결해 용융물 처짐을 막습니다.
  3. In-skin (Core) 조사: 내부 벌크를 고밀도로 소결합니다. 레이어별 67° 회전 스트라이프를 적용합니다.
  4. Up-skin 조사: 최상단 노출면의 표면을 다듬습니다.
  5. Contour 조사: 인스킨 주변의 거친 경계를 감싸 최종 치수를 정리합니다. Infill-First 순서를 권장합니다.

4. 종합 엔지니어링 체크리스트

검증 단계주요 입력 파라미터분석 장비 및 방법합격 판정 기준 (Pass Criteria)
Phase 1: 1D Track Laser Power (P), Scan Speed (v) 광학 현미경 (OM, Top/Cross-section) 비드 연속성 양호, 1.0 ≤ d/w ≤ 1.5
Phase 2: 3D Core Hatch Spacing (h), Scan Rotation 비중계 (아르키메데스법), 단면 이미지 분석 상대밀도 ≥ 99.7%, Lack of Fusion 0%
Phase 3: Surface Beam Offset, Contour P/v, Skin P/v 3차원 접촉식/광학 측정기, 표면 조도계 설계 공차 만족 (±20~30 μm), 45° 이하 오버행 드롭렛 억제
Phase 4: Structure Tooth Depth/Height, Scan Strategy 만능재료시험기 (UTM), 탈거성 육안 검사 플레이트 박리 0건, 인장강도/연신율 규격 만족