서론: 후처리의 중요성
금속 SLM 출력물은 급속 응고의 특성으로 인해 잔류응력이 크고, 표면이 거칠며, 조직이 불균일한 문제를 가진다. 후처리 공정은 이러한 결함을 제거하고 최종 성능 요구를 달성하는 핵심 단계이다. 통계에 따르면 금속 SLM 출력물의 후처리 비용은 총비용의 30-50%를 차지하며, 후처리 품질은 제품의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미친다.
1. 잔류응력과 변형
1.1 잔류응력의 발생 원인
- 온도 구배：용융풀의 급속 냉각으로 온도 구배가 발생하여 열응력이 생김
- 상변태 응력：응고 과정에서 상변태가 발생하며 상변태 응력이 생김
- 구속 응력：기판 구속과 부품 기하학적 구속으로 인해 발생하는 응력
1.2 응력 분포 특징
표면의 압축응력은 피로 성능에 유리하고, 내부의 인장응력은 균열을 유발할 수 있으며, 뾰족한 모서리와 얇은 벽 구조 부위에서는 응력 집중이 심하다.
2. 응력 제거 열처리
2.1 응력 제거 풀림
스테인리스강 316L: 450-550℃×2-4h, 노냉. 티타늄 합금 Ti6Al4V: 600-650℃×2-4h, 노냉. 알루미늄 합금 AlSi10Mg: 250-300℃×2-3h, 노냉. 공구강 H13: 550-650℃×3-5h, 노냉. 인코넬 718: 720-750℃×4-6h, 노냉.
2.2 설비 요구사항
진공로는 진공도 <10⁻² Pa로, 티타늄 합금과 고온합금에 적합하다. 아르곤 보호로는 산소 함량 <10ppm이어야 한다. 질소 보호로는 스테인리스강과 공구강에 적합하다. 온도 균일도는 ±5℃여야 한다.
3. 서포트 제거
3.1 기계적 제거
수작업 공구는 단순 구조에 적합하고, 기계가공은 효율이 높고 정밀도가 좋으며, 와이어 방전가공은 복잡한 구조에 적합하고 정밀도가 높고, 연삭은 경질 재료에 적합하다.
3.2 전기화학적 제거
원리는 전기화학적 용해이며, 내부 캐비티 서포트에 적합하다. 전해액은 염 용액 또는 산 용액이고, 전류 밀도는 10-50 A/cm²이다. 장점은 접근성이 좋다는 점이고, 단점은 속도가 느리고 후세척이 필요하다는 점이다.
4. 열처리 강화
4.1 용체화-시효 처리
티타늄 합금 Ti6Al4V: 용체화 900-950℃, 시효 540-600℃. 인코넬 718: 용체화 950-980℃, 시효 720+620℃. 공구강 H13: 용체화 1020-1050℃, 시효 550-600℃, 경도는 50HRC에 도달한다.
4.2 열간등방압가공(HIP)
온도는 재료에 따라 결정되며, 압력은 100-200MPa, 시간은 2-4시간이다. 효과: 치밀도 >99.9%, 피로 성능 30-50% 향상.
5. 표면 처리
5.1 표면 거칠기
출력 직후 측면 Ra 5-15μm, 출력 직후 상면/하면 Ra 15-40μm, 샌드블라스트 후 Ra 3-6μm, 연마 후 Ra 0.2-1.0μm, 기계가공 후 Ra 0.8-3.2μm.
5.2 쇼트피닝 강화
목적은 표면 압축응력을 도입하여 피로 성능을 높이는 것이며, 매체는 강구 또는 유리구이다. 강도는 일반적으로 0.2-0.6mmA, 피복률은 >100%, 효과는 피로 수명이 30-100% 향상되는 것이다.
6. 실제 적용 사례
항공 엔진 블레이드(인코넬 718): 와이어 방전가공으로 분리→응력 제거 750℃×4h→HIP 1180℃/150MPa/4h→용체화-시효→기계가공→전기화학 연마→형광탐상. 의료 임플란트(티타늄 합금 Ti6Al4V): 기계적으로 서포트 제거→샌드블라스트→산세 및 부동태화→응력 제거 풀림→HIP→최종 연마→세척 및 포장. 금형 부품(공구강 H13): 기계가공으로 서포트 제거→응력 제거 풀림→담금질+뜨임→핵심 면 기계가공→연마→질화 처리.
결론
금속 SLM 출력물의 후처리는 최종 성능을 보장하는 핵심 단계이다. 적절한 응력 제거, 열처리 강화 및 표면 처리를 통해 부품의 기계적 성능과 사용 수명을 크게 향상시킬 수 있다.