출처: https://phys.org/news/2017-09-d-high-strength-aluminum-ages-old-welding.html

HRL Laboratories has made a breakthrough in metallurgy with the announcement that researchers at the famous facility have developed a technique for successfully 3D printing high-strength aluminum alloys—including types Al7075 and Al6061—that opens the door to additive manufacturing of engineering-relevant alloys. These alloys are very desirable for aircraft and automobile parts and have been among thousands that were not amenable to additive manufacturing—3D printing—a difficulty that has been solved by the HRL researchers. An added benefit is that their method can be applied to additional alloy families such as high-strength steels and nickel-based superalloys difficult to process currently in additive manufacturing.

HRL Laboratories사가 고강도 알루미늄 합금(AI7075와 AI6061 포함)을 3차원 프린팅에 성공했다고 발표, 금속공학에 새로운 지평선을 열었으며, 해당 기술은 엔지니어링에 사용되는 각종 합금의 적층가공을 가능케 해줄 것으로 예상된다. 이러한 합금들은 항공기와 자동차 부품 소재로 각광받고 있으며, 지금까지는 적층가공(또는 3차원 프린팅)이 불가능했으나 HRL 연구진이 드디어 이를 해결해낸 것이다. 또 해당 기술은 고강도 강철 및 니켈기반 초합금과 같이 현재 적층가공이 어려운 각종 합금류에서 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

"We're using a 70-year-old nucleation theory to solve a 100-year-old problem with a 21st century machine," said Hunter Martin, who co-led the team with Brennan Yahata. Both are engineers in the HRL's Sensors and Materials Laboratory and PhD students at University of California, Santa Barbara studying with Professor Tresa Pollock, a co-author on the study. Their paper 3D printing of high-strength aluminum alloys was published in the September 21, 2017 issue of Nature.

"저희는 70년 전에 수립된 핵생성 이론을 사용하여 100년도 더 된 문제를 21세기 기계로 풀었습니다"라고 브레난 야하타와 더불어 연구팀을 이끈 헌터 마틴이 말했다. 이 두 사람은 HRL의 센서/소재 연구소 소속 기술자이며 캘리포니아주립대학교의 PhD이다. 이들의 지도교수는 트레나 폴록으로 이번 논문의 공동저자이다. 고강도 알루미늄 합금의 3차원 프린팅이라는 제목을 가진 이번 논문은 2017년 9월 21일 네이처지에 게재되었다.

Additive manufacturing of metals typically begins with alloy powders that are applied in thin layers and heated with a laser or other direct heat source to melt and solidify the layers. Normally, if high-strength unweldable aluminum alloys such as Al7075 or AL6061 are used, the resulting parts suffer severe hot cracking—a condition that renders a metal part able to be pulled apart like a flaky biscuit.

금속의 적층가공은 일반적으로 합금분말을 얇게 편 다음 레이저 또는 직접 열원으로 가열, 용융시켜 분말층을 굳히는 방법을 사용한다. 하지만 AI7075나 AL6061 같은 고강도 난용접성 알루미늄 합금의 경우에는 심각한 고온균열이 발생한다. 고온균열이 발생한 금속은 마치 바삭바삭한 비스킷처럼 부서지기 일쑤이다.

HRL's nanoparticle functionalization technique solves this problem by decorating high-strength unweldable alloy powders with specially selected nanoparticles. The nanoparticle-functionalized powder is fed into a 3D printer, which layers the powder and laser-fuses each layer to construct a three-dimensional object. During melting and solidification, the nanoparticles act as nucleation sites for the desired alloy microstructure, preventing hot cracking and allowing for retention of full alloy strength in the manufactured part.

HRL이 개발한 나노입자 기능화 기술에서는 위에서 말한 고온균열 문제를 고강도 난용접성 합금분말에 특수한 나노입자를 첨가하여 해결한다. 나노입자로 기능화가 이루어진 합금분말을 3차원 프린터기에 넣으면 분말이 얇은 층으로 펴지고 레이저가 각각의 분말층을 용융시켜 3차원 물체를 만든다. 용융과 응고 과정에서 나노입자들은 핵생성처로 작용하여 적절한 합금 미소구조를 구축, 고온균열을 방지하고 합금의 원래 강도를 고스란히 유지시켜 준다.

Because melting and solidification in additive manufacturing is analogous to welding, HRL's nanoparticle functionalization can also be used to make unweldable alloys weldable. This technique is also scalable and employs low cost materials. Conventional alloy powders and nanoparticles produce printer feedstock with nanoparticles distributed uniformly on the surface of the powder grains.

"Our first goal was figuring out how to eliminate the hot cracking altogether. We sought to control microstructure and the solution should be something that naturally happens with the way this material solidifies," Martin said.

To find the correct nanoparticles, in this case zirconium-based nanoparticles, the HRL team enlisted Citrine Informatics to help them sort through the myriad possible particles to find the one with the properties they needed.

적층가공에서의 용융 및 응고는 용접과 유사하기 때문에, HRL이 개발한 나노입자 기능화 기술은 난용접성 합금을 용접이 가능하게 만들어준다. 해당 기술은 확장이 가능하며 가격이 저렴한 재료를 사용한다. 현재 사용되고 있는 합금분말과 나노입자로 3차원 프린터 충전재를 만들 수 있으며, 해당 충전재의 경우 합금분말 입자 표면에 나노입자가 균일하게 분포되어 있다.

"저희의 첫 목표는 고온균열을 없애는 것이었습니다. 이를 위해 저희는 미소구조를 제어하려 시도했으며, 그 해결책은 재료가 응고되는 과정에서 자연적으로 진행되는 어떤 현상이어야 한다고 확신했습니다."라고 마틴은 말했다.

적절한 나노입자(이 경우에는 지르코늄 기반 나노입자)를 찾기 위해 RHL 연구팀은 시트린 인포매틱스사에 엄청나게 많은 입자들 중 자신들이 원하는 속성을 가지는 단 하나의 입자를 찾아달라고 요청했다.

"Using informatics was key," said Yahata. "The way metallurgy used to be done was by farming the periodic table for alloying elements and testing mostly with trial and error. The point of using informatics software was to do a selective approach to the nucleation theory we knew to find the materials with the exact properties we needed. Once we told them what to look for, their big data analysis narrowed the field of available materials from hundreds of thousands to a select few. We went from a haystack to a handful of possible needles."

"정보기술 사용이 핵심이었습니다"라고 야하타가 말했다. "지금까지 금속공학은 주기율표를 샅샅이 훝어서 합금원소를 물색하여 왔으며 주로 시행착오를 통하여 시험을 해왔습니다. 이번 연구에서 소프트웨어를 사용한 목적은 저희가 정확히 원하는 속성을 가진 소재를 찾기 위해 핵생성 이론에 대한 선별적 접근을 하는데 있었습니다. 저희가 소프트웨어한테 무엇을 찾아야 될지 알려주기만 하면, 소프트웨어는 빅데이터 분석을 통해 수십만 개에 달하는 후보소재를 극소수로 좁혀주었습니다. 건초더미에서 바늘 몇 개를 찾은 셈이지요".

More information: 3D printing of high-strength aluminium alloys, Nature (2017). nature.com/articles/doi:10.1038/nature23894

논문정보: 고강도 알루미늄 합금의 3차원 프린팅, 네이처(2017). nature.com/articles/doi:10.1038/nature23894

HRL사가 개발한 고강도 알루미늄 합금 3차원 프린팅 기술 소개동영상