회전형 레이저 클래딩 광학계 설계 - 최병주 (The Graduate School, Ajou University, 2018)
일반적으로 장시간의 사용으로 손상된 기계부품은 심각한 정도에 따라 신품으로 교체한다. 그러나 크기가 크고 특수한 용도로 소량 생산되는 제품을 폐기하고, 신품으로 교체하면 막대한 자원 손실, 환경오염, 생산 비용이 발생한다. 이를 보완하기 위하여 환경 친화적인 재제조 방식을 구축한다면, 자원을 절약하고 환경오염을 미연에 방지하는 새로운 생산개념으로 활용 할 수 있다. 기존에 금속 재료의 손상된 제품은 노하우를 가진 기술자에 의한 용접으로 재제조를 수행해왔다. 최근에는 다이오드 레이저, 파이버 레이저와 같이 철계 금속에 광 흡수성이 우수하며 비용적인 측면과 기술 접근성이 용이한 레이저가 개발되고 있다. 따라서 분말 또는 와이어를 가공 위치에 공급하고 모재와 용융 및 증착하는 기술인 레이저 클래딩을 통한 재제조에 대한 관심이 높아지고 있다. 대포의 포신 엔진 실린더, 시멘트 및 플라스틱의 압출관과 같이 원통형 내벽 형태의 부품이 고온과 고압의 환경에서 장시간 사용할 경우 발생하는 공동현상, 기공, 균열의 손상이 발생한다. 이에 대한 재제조 공정을 개발한다면 교체 비용의 절감과 재료 사용량을 줄일 수 있다. 특히, 기존에 실린더 내벽을 클래딩하기 위하여 회전형 광학계가 개발되었지만, 내부 구조 및 광학설계, 냉각수와 분말의 유로, 회전 메커니즘, 광학계를 통과한 빔 특성에 대한 분석, 가공물의 재료적인 분석에 대한 학술적인 연구 자료는 전무하다. 본 연구에서 회전형 레이저 클래딩 광학계를 설계하였다. 회전 각도에 관계없이 균일한 적층이 가능하도록 초점 크기 설계하는 것을 주요 목표로 하였다. 이와 함께 유동, 기구 설계의 과정을 구축하고, 시제품을 제작하여 광학계에서 토출되는 빔의 특성을 측정하여 광학설계와 비교 검증하였다. 마지막으로 시편단위의 레이저 클래딩 실험으로 광학계 성능을 평가하였다. 다음은 회전형 레이저 클래딩 광학계 설계 및 평가에 대한 결과이다. 레이저 클래딩 광학계에서 토출되는 빔의 크기를 ZEMAX 광학해석, Raytracing 기법, Sydney Self의 식으로 설계하였다. ZEMAX와 Raytracing 기법은 레이저의 직진성과 매질의 굴절률을 기반으로 빔의 경로와 반경을 계산하기 때문에 렌즈와 같은 매질에서의 굴절을 모사할 수 있다. 그러나 가우시안 빔과 다이오드 레이저 빔의 특성에 따른 빔 허리를 표현하지 못하는 단점이 있다. Sydney Self의 식은 매질에 따른 굴절을 모사하지 못하지만 빔 허리를 표현할 수 있는 장점이 있다. 설계 단계에서는 레이저 빔의 여러 입력 변수를 고려할 수 있는 ZEMAX 해석 결과를 기반으로 기구설계 및 시제품 제작을 수행하였다. 냉각수 순환, 분말 공급, 밀봉 설계, 모터 선정을 포함하는 기구 설계를 수행하였다. 광학요소를 보호하기 위한 냉각수 유로는 유동 방향이 헤드를 향하도록 설계하였다. 분말은 유로 내부에서 나선 유동하도록 유로를 설계하였으며, 두 가지 설계는 ANSYS AIM Fluid flow로 검증하였다. 또한 냉각수와 분말이 새어나가지 않도록 밀봉 설계하고, 회전 접촉부의 마찰력을 계산하여 회전을 허용할 수 있는 토크의 모터를 선정하였다. 마지막으로 레이저 경통을 따라 보호가스를 흘려주고, 클래딩 위치에 분사하여 산화분기를 억제하였으며 브라켓을 설계하여 6축 로봇에 고정한다. 광학계를 통과하여 출력되는 빔의 프로파일을 측정하였다. 범 허리에서 초점 반경은 0.28 mm이며, Sydney Self의 식은 0.24 mm, ZEMAX는 0.34 mm로 차이를 보인다. 특히, 측정과의 오차는 시준기에 대한 정보 부족과 설계 단계에서 정확하게 알 수 없는 빔 허리에서의 값에 의한 오차에 기인한다. 각각의 방법은 고려할 수 있는 입력변수가 다르기 때문에 결과의 차이가 있지만 측정값과 근소한 차이로 설계되었음을 확인하였다. 가공물 위치에서 초점의 반경은 Sydney Self의 식에서 1.18 mm, ZEMAX는 1.22mm로 계산되었다. 가공물 위치에서 초점의 크기 2.5 mm에 유사하게 설계되었음을 확인하였다. 레이저 클래딩 실험으로 회전형 광학계의 성능을 평가하였다. 적층 형상 분석 결과, 미소량의 기공이 존재하지만 균열과 같은 결함이 없는 단면을 생성 할 수 있었다. 또한 손상을 덮을 수 있는 높이와 폭의 적층이 가능하였다. 그러나 상단 측면에서 분말을 분사하기 때문에 단면의 비대칭 희석이 확인되었다. 희석률이 높은 영역은 응고속도가 지연되어 DAS 폭이 5.42 ㎛, 길이가 24.55 ㎛의 긴 수지상이 분포하며, 희석률이 낮은 영역은 DAS 폭이 3.88 ㎛, 길이가 12.65 ㎛인 작고 균일한 수지상이 분포한다. 전체적인 금속조성은 가장 먼저 응고되는 코발트가 풍부한 수지상이 넓은 영역에 분포하며, 그 주위를 크롬과 텅스텐이 탄소와 결합한 경질 탄화물이 주성분인 내부-수지상을 형성하여 우수한 기계적 성질을 구현한다. 희석률이 높은 곳은 수지상으로부터 내부수지상으로 경질 탄화물이 더욱 확산되어 우수한 성질을 가질 것으로 확인되었으나, 모재로부터 Fe 성분이 적층으로 침투 확산하여 인성이 저하되는 것을 예상할 수 있다. 결과적으로 재제조를 비롯한 선제적인 처리에 활용할 수 있는 레이저 클래딩 기술에 대한 선행연구를 정리하고, 회전형 광학계 설계 프로세스를 구축하였다. 또한 설계한 회전형 레이저 클래딩 광학계를 활용하여 다양한 실린더 내벽을 이종재료로 적층 할 수 있으며, 추후 새롭게 개발되는 광학계의 설계 및 개선의 연구방향에 기여할 수 있다.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :기계공학과,2018. 8
Keywords: Laser Cladding; Optical System; Optical design; Mechanical design; Material analysis; Beam profile