적용분야

금속 3D 프린팅 품질 향상: 금속 적층 제조에서의 온도 제어
와이어 아크 적층 제조(Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM)는 최근 몇 년간 금속 3D 프린팅 분야에서 중요성이 크게 증가한 적층 제조 공정입니다. 높은 적층 속도, 비용 효율적이고 쉽게 구할 수 있는 와이어 형태의 소재 사용, 그리고 공정을 정밀하게 제어할 수 있다는 점이 WAAM의 주요 장점입니다.

와이어 아크 적층 제조에서는 아크 용접 방식을 이용해 와이어 형태의 소재를 베이스 플레이트 위에 비드(bead) 단위로 순차적으로 적층합니다. 이러한 방식은 파우더 기반 공정과 비교했을 때 여러 가지 장점을 제공합니다.

와이어는 훨씬 저렴한 원재료이며, 대부분의 금속 소재를 와이어 형태로 쉽게 확보할 수 있습니다. 또한 복잡한 분말 취급 과정이나 진공 기술이 필요하지 않습니다. 그러나 WAAM의 가장 큰 장점은 매우 높은 적층 속도입니다. 사용되는 소재에 따라 시간당 최대 650 cm³에 달하는 적층 속도를 달성할 수 있습니다.

베를린에 본사를 둔 GEFERTEC는 금속 3D 프린팅을 위한 WAAM 공정 기반 장비를 개발·제작하고 있습니다. 다양한 크기로 제공되는 이 아크 장비는 3축 및 5축 버전으로 구성되어 있으며, 정교한 아크 용접 기술과 사용자 친화적인 CAM 소프트웨어, 그리고 공작기계를 통합하여 즉시 활용 가능한 적층 제조 솔루션을 제공합니다.

WAAM 공정에서 온도는 매우 중요한 요소입니다. 이는 작업물 내부의 온도 분포와 냉각 거동이 완성된 부품의 품질을 좌우하기 때문입니다. 장비 운전 중 용접은 하부 층이 일정 온도까지 충분히 냉각된 후에만 시작됩니다. 만약 중간 층의 온도가 아직 너무 높을 경우, 적층 거동이 불균일해져 층 두께의 편차가 커지고, 결과적으로 부품의 형상이 정확하게 유지되지 않게 됩니다.

GEFERTEC 아크 장비에서는 Optris CT 시리즈 파이로미터를 사용하여 해당 온도 측정 기술을 구현하고 있습니다. 대부분의 적용 사례에서 인터레이어(층간) 온도의 설정값은 150 °C에서 200 °C 사이로, 이는 용접 비드 높이의 재현성을 확보하는 데 최적의 범위입니다.
한 층의 적층이 완료되면 용접 헤드는 다음 층의 시작 지점으로 이동하며, 이 위치에서 파이로미터가 부품의 온도를 측정합니다. 그리고 해당 온도가 미리 설정된 값까지 충분히 낮아졌을 때에만 장비가 다음 공정을 계속 진행합니다.

사용되는 CT 시리즈 파이로미터는 측정 헤드가 매우 작아 적용 환경에 쉽게 통합할 수 있습니다. 제어 캐비닛에 설치되는 분리형 전자 장치는 다양한 출력 인터페이스를 통해 측정값을 장비의 제어 시스템으로 전달합니다. 이를 통해 운전 중 인터레이어(층간) 온도를 항상 정확한 값으로 설정할 수 있습니다.
파이로미터로 정확한 온도를 측정하기 위해서는 방사율(emissivity) 값을 정확히 알고 있어야 합니다. 또한 측정 표면에 대한 시야가 방해될 경우 측정값이 왜곡될 수 있습니다. GEFERTEC의 아크 장비는 티타늄 부품 출력에도 사용될 수 있지만, 이 경우 다량의 연기가 발생합니다.

이러한 환경에서는 Optris의 CTratio 시리즈와 같은 비율 파이로미터 사용이 권장됩니다. 두 파장에서의 강도 비율을 계산하는 방식이기 때문에 시야가 일부 방해되더라도 신뢰성 있는 측정이 가능합니다. 이에 따라 티타늄 부품 출력을 계획하는 아크 장비에는 CT 비율 파이로미터의 적용이 예정되어 있습니다.

추가로 Optris의 적외선 카메라 모델 PI 1M은 아크 장비의 개발 단계와 특히 공정 검증(process qualification)에 활용되고 있습니다.

이 열화상 카메라 모델은 고동적 범위를 갖춘 CMOS 검출기를 탑재하고 있으며, 최대 764 × 480 픽셀의 광학 해상도를 제공합니다.

GEFERTEC의 연구 맥락에서는 전체 영역을 한 화면에 기록하여 온도의 공간적 분포를 시각화할 수 있다는 점이 큰 장점입니다.

GEFERTEC의 연구 맥락에서는 전체 영역을 한 화면에 기록하여 온도의 공간적 분포를 시각화할 수 있다는 점이 큰 장점입니다.

PI 1M 모델은 금속 표면 측정에 이상적인 분광 범위를 갖추고 있어, 용융 풀과 그 주변 영역의 실제 온도 값을 고품질로 제공합니다. 또한 이와 같은 적용 분야에 매우 유용한 스폿 파인더(Spot Finder) 기능을 통해 활용성이 더욱 향상됩니다.

Optris의 적외선 카메라는 USB 인터페이스를 통해 PC에 쉽게 연결하여 이미지를 전송할 수 있습니다. 카메라와 함께 제공되는 PIX Connect 분석 소프트웨어를 사용하면 열화상 이미지를 실시간으로 평가할 수 있어 공정 검증(process qualification)에 매우 실용적입니다. 또한 이 소프트웨어는 이미지 아카이빙을 간편하게 해주어 전반적인 사용자 편의성을 한층 높여줍니다.