회사 소식 첨가제 제조 품질에서 불활성 가스의 역할 강조

적층 제조의 미세한 세계에서 금속 분말 입자는 레이저 빔의 정확한 안내에 따라 복잡한 춤을 추며 점차적으로 쌓여 정교한 3차원 구조를 형성합니다. 그러나 산소 및 이산화탄소와 같은 대기 가스는 반갑지 않은 침입자로 숨어 있어 이 섬세한 발레를 방해하고 최종 금속 구성 요소의 성능을 저하시킬 수 있습니다. 적층 제조 공정의 순도와 안정성을 보장하기 위해 불활성 대기 생성 기술이 금속 부품 생산을 위한 필수 보호 장치로 등장했습니다.

불활성 대기는 이름에서 알 수 있듯이 화학적으로 비활성인 가스 환경을 의미합니다. 적층 제조, 특히 PBF(분말층 융합) 공정에서 이러한 보호 분위기는 중요한 역할을 합니다. 높은 온도에서 금속 분말은 반응성 대기 가스(산소, 질소, 이산화탄소 및 수증기 포함)와 쉽게 반응하여 여러 가지 해로운 영향을 미칩니다.

• 산화 및 질화:표면 반응은 재료의 화학적 조성과 미세 구조를 변경하고 기계적 특성, 내식성 및 피로 강도를 저하시키는 산화물 또는 질화물을 형성합니다.
• 다공성 형성:반응 부산물이 용융 풀에 갇혀 부품 밀도와 구조적 무결성을 감소시키는 공극을 생성할 수 있습니다.
• 용융 풀 불안정성:반응성 가스는 용융 풀 내의 표면 장력과 유체 역학에 영향을 주어 기하학적 정확성과 표면 품질을 저하시킵니다.
• 요소 고갈:휘발성 합금 원소(알루미늄, 마그네슘 등)는 고온에서 증발하여 설계 사양과 조성 차이가 발생할 수 있습니다.

결과적으로, 적층 제조된 부품의 품질과 성능을 보장하려면 반응성 가스를 격리하는 불활성 분위기를 조성하는 것이 필수적입니다.

적층 제조에 사용되는 두 가지 주요 불활성 가스는 아르곤(Ar)과 질소(N2)입니다. 이들 사이의 선택은 재료 반응성, 비용 고려 사항 및 장비 요구 사항에 따라 달라집니다.

• 아르곤:뛰어난 화학적 안정성을 지닌 단원자 비활성 기체인 아르곤은 화학 반응에 거의 참여하지 않습니다. 세 번째로 풍부한 대기 가스이기 때문에 상대적으로 저렴한 비용으로 폭넓은 가용성을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 아르곤은 대부분의 적층 제조 응용 분야, 특히 산화 및 질화 방지가 가장 중요한 티타늄 및 알루미늄과 같은 반응성 금속에 선호되는 선택입니다.
• 질소:질소는 일부 불활성 특성을 나타내지만 그 반응성은 아르곤의 반응성을 초과합니다. 높은 온도에서도 질소는 여전히 특정 금속과 반응하여 질화물을 형성할 수 있습니다. 따라서 질소 사용은 일반적으로 스테인리스강과 같은 산소 내성 재료로 제한됩니다. 질소의 주요 장점은 아르곤에 비해 비용이 저렴하다는 점입니다. 하지만 이를 위해서는 질화물 형성을 방지하기 위해 더 엄격한 공정 제어가 필요합니다.

Renishaw의 적층 가공 시스템은 특수한 불활성 대기 생성 기술을 사용하여 공정 순도와 안정성을 보장합니다. 이 기술은 여러 주요 단계를 통해 작동됩니다.

1. 진공 사전 조정:시스템은 먼저 진공 펌프를 사용하여 빌드 챔버에서 공기와 습기를 배출하여 산소 및 수증기 농도를 크게 줄입니다. 이 중요한 단계는 분말 및 장비 표면에 부착된 오염 물질을 제거하여 불활성 가스 도입을 위한 챔버를 준비합니다.
2. 아르곤 퍼지:진공 처리 후, 고순도 아르곤이 지정된 압력 수준에 도달할 때까지 챔버를 채웁니다. 약 600리터의 챔버 용량으로 완전한 퍼지를 위해서는 상당한 양의 아르곤이 필요합니다. 고순도 아르곤은 잔류 공기를 효과적으로 대체하여 불활성 환경을 조성합니다.
3. 분위기 유지:제작 과정 전반에 걸쳐 지속적인 산소 모니터링을 통해 보충 아르곤 주입을 알려 대기 순도를 유지합니다. Renishaw 시스템은 산소 함량을 1000ppm(0.1%) 미만으로 조절하여 티타늄과 같은 반응성 금속의 경우 100ppm(0.01%) 미만 수준을 달성합니다. 이러한 정밀한 제어는 제작 중 금속 오염을 방지합니다.
4. 최적화된 가스 소비:AM250 시스템은 30L/hr 미만의 가스 유량으로 작동하여 아르곤 사용에도 불구하고 경쟁력 있는 운영 비용을 유지합니다. 이러한 경제적 효율성 덕분에 모든 재료에 보편적으로 아르곤을 채택할 수 있어 질소 대체와 관련된 타협을 제거하는 동시에 일관된 부품 품질을 보장할 수 있습니다.

Renishaw의 진공 보조 아르곤 퍼징은 기존의 가스 치환 방법에 비해 확실한 이점을 보여줍니다. 진공 사전 컨디셔닝을 통해 공기와 습기를 보다 철저하게 제거하여 고순도의 불활성 대기를 더욱 빠르게 조성할 수 있습니다. 비교 연구에 따르면 진공 보조 아르곤 퍼지는 직접 질소 또는 아르곤 플러싱 기술보다 훨씬 빠르게 목표 산소 수준을 달성하여 준비 시간을 줄이고 생산 효율성을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 또한 진공 사전 컨디셔닝은 가스 소비량을 줄여 운영 비용을 더욱 낮추는 데 도움이 됩니다.

효과적인 불활성 대기 관리는 단순한 가스 충전을 넘어 공정 안정성과 부품 품질을 보장하기 위해 여러 매개변수를 정밀하게 조절해야 합니다.

• 산소 함량:1차 순도 측정 기준은 재료에 따라 다르며 반응성 금속은 더 엄격한 제어가 필요합니다. 고정밀 산소 센서를 통해 실시간 모니터링과 유량 조정이 가능해 목표 범위를 유지할 수 있습니다.
• 습기:수분은 금속 분말과 반응하여 산화 및 다공성을 유발합니다. 챔버 습도는 일반적으로 건조제나 가스 건조 시스템을 통해 제어됩니다.
• 가스 유량:가스 교환 효율과 열 분포 모두에 영향을 미치는 과도한 흐름은 분말 베드를 방해할 수 있는 반면, 흐름이 부족하면 오염 물질을 제거할 수 없습니다. 최적의 비율은 챔버 구조와 재료 특성에 따라 달라집니다.
• 가스 압력:챔버 압력은 공정 안정성에 영향을 미칩니다. 압력이 너무 높으면 장비가 손상될 위험이 있고, 압력이 부족하면 용융 풀 역학에 영향을 미칠 수 있습니다. 안전한 작동 범위를 유지하는 것이 필수적입니다.

적층 제조가 발전함에 따라 점점 더 엄격해지는 요구 사항을 충족하기 위해 불활성 대기 기술도 발전해야 합니다. 향후 개발은 다음 사항에 중점을 둘 것입니다.

• 강화된 순도:고성능 재료에 대한 수요로 인해 오염 물질 수준이 최소화된 초고순도 가스의 개발이 촉진될 것입니다.
• 정밀 제어:고급 센서 네트워크와 제어 알고리즘을 통해 대기 매개변수를 더욱 엄격하게 규제할 수 있습니다.
• 비용 절감:새로운 가스 생성 및 재활용 방법은 공정 경제성을 향상시킵니다.
• 스마트 시스템:인공 지능과 기계 학습을 통합하면 대기 관리가 최적화되어 효율성과 품질이 향상됩니다.

불활성 분위기 생성은 금속 적층 제조에 없어서는 안 될 기술입니다. 지속적인 혁신을 통해 이 중요한 프로세스 활성화 요소는 산업 부문 전반에 걸쳐 응용 프로그램 확장을 지원합니다.