고객이 직면한 과제
적층 제조 공정으로 만들어진 제품 및 구성요소은 종종 다양한 벽 두께와 테스트하기 어려운 얇은 섹션으로 인해 복잡한 형태를 갖습니다. 이러한 제품 또는 구성요소에 사용된 재료의 표준 크기 샘플을 여러 개 만들기 위해서는 시간과 비용이 많이 듭니다. 또한 제조 중 열 이력이 달라서 문제가 될 수 있습니다. 즉, 0.1밀리미터 범위의 얇은 벽이 더 큰 크기의 샘플과 다른 특성을 나타내는 크기 효과입니다. 재료의 실제 기계적 특성을 평가하려면 샘플에 전형성이 있어야 합니다. 즉, 실제 구성요소에서 추출하거나 동일한 위치에서 동일한 방향 및 동일한 크기 범위로 만들어야 합니다. 이러한 모든 이유 때문에 소형 시편 샘플 테스트는 재료 특성을 더욱 정확하게 나타낼 수 있습니다.
체코의 사설 연구소인 COMTES FHT는 15년 이상 동안 소형 시편 테스트 기술을 개선해 왔습니다. 교수이자 COMTES FHT의 R&D 부문 이사인 Jan Džugan 씨는 2006년 기계 테스트 실험실을 설립했으며, 소규모 테스트 방법은 연구소의 첫 장기 연구 프로젝트였습니다. 현재 Džugan 씨는 ASTM E28에 따른 단축 테스트 및 ASTM F42에 따른 적층 제조를 위한 표준으로 소형 시편 테스트 요구 사항을 구현하기 위해 노력하고 있습니다. 그의 박사 논문과 수많은 과학 논문은 소형 시편 테스트를 중점적으로 다루고 있습니다.
"소형 시편에 대해 더 이야기하기 전에 그것이 우리에게 의미하는 바를 명확히 하는 것이 좋습니다."라고 Džugan 씨는 말했습니다. “각 테스트의 표준 크기 시편이 다르기 때문에 소형 시편의 부피는 약 100배 더 작다고 대략적으로 말할 수 있습니다. 소규모 테스트 분야에는 기본적으로 두 가지 테스트 그룹이 있습니다. 즉, 축소된 시편을 사용한 직접 테스트 또는 특정 상관관계에 의해 표준 테스트와 연결된 일부 수량을 측정하는 간접 방법입니다. COMTES FHT는 첫 번째 테스트 방법에 더 주목하고 있습니다.”
미니 샘플 테스트 방법 분야에서 COMTES FHT의 첫 번째 연구는 Džugan 씨가 이전에 진행한 바 있는 SPT(Small Punch Test)에 초점을 맞췄습니다 “하지만 얼마 지나지 않아 저희는 동일한 재료 부피에 대해 인장 테스트를 수행할 수 있는데 왜 SPT를 실행해야 하는지 의아해 했습니다."라고 Džugan은 말했습니다. "이러한 의문은 성공적인 행보로 보였고 저희는 다양한 하중 모드와 변형률 속도에서 샘플 간의 상관관계보다는 표준 시편의 소형화에 집중하는 테스트 절차를 개발했습니다. 수년 동안 저희 팀은 여러 연구 과학자로 구성되어 왔습니다. Pavel Konopík 박사, Eva Chvostová 박사, Radek Procházka 박사, Martin Rund 씨와 Jindrich Vokac 씨는 인장 특성 결정, 충격 기반 전이 온도 결정, 파괴 인성, 피로 균열 성장 속도 테스트, 저주기 및 고주기 피로 측정 테스트, 크리프 테스트 등을 위한 테스트 방법을 개발하거나 채택했습니다. 이러한 테스트의 대부분은 이제 비주변 테스트 조건에서도 수행할 수 있습니다."
소형 시편 테스트 기술은 원래 전력 산업의 잔여 수명을 평가하기 위해 개발되었지만, 소형 샘플 기반 기술은 적층 제조로 만든 테스트 재료에 특히 적용할 수 있다는 사실이 명백해졌습니다.
테스트 요구 사항
적층 제조된 재료의 소형 시편 테스트는 다음과 같은 몇 가지 요구 사항이 있는 특정 과제를 제시합니다.
하중 프레임: 미니 샘플을 테스트하려면 표준 변형률에서 낮은 속도가 필요하므로 매우 느린 액추에이터 속도에서 안정성이 중요합니다.
변형률 측정: 기계식 클립온 게이지는 일반적으로 그립 사이에 맞지 않으므로 광학 변형률 측정이 선호됩니다. COMTES FHT는 2D 및 3D DIC 솔루션을 모두 사용합니다. Džugan 씨는 "작고 평평한 물체와 다소 작은 변형의 경우 2D DIC가 잘 작동하며 컴퓨터 성능이 많이 필요하지 않습니다."라고 말합니다.
정렬: 현재 ASTM E1012 표준은 미니 인장 샘플 정렬에 완전히 적용되지는 않습니다. COMTES FHT에서는 현재 DIC 시스템을 사용하여 그리핑 및 로딩 중에 시편 정렬을 확인하고 조정하며, 미니 샘플 정렬을 위한 대표적인 매개변수를 지정하기 위해 추가 프로세스 개발이 필요할 것으로 예상하고 있습니다.
그리핑: Džugan 씨는 "현재 미니 샘플 인장 시험용으로는 상업적으로 이용 가능한 그립이 없기 때문에 저희가 직접 개발해야 했습니다."라고 설명합니다. "시편 가소화가 발생할 수 있어 적절한 그리핑이 매우 중요하므로 특별한 주의가 필요합니다."
MTS 솔루션
COMTES FHT는 2006년부터 실험실에서 MTS 솔루션을 사용하고 있습니다. 첫 번째 MTS 기계는 금속 성형 공정의 열기계 시뮬레이션을 위해 설계된 맞춤형 시스템이었습니다. 두 번째 MTS 시스템은 축/비틀림 메인 액추에이터와 사이드 액추에이터가 있는 특별한 고속 Bionix® 시스템이었습니다. 이 시스템은 다양성, 정확성 및 성능 덕분에 미니 샘플 테스트 방법의 개발에 많이 사용되었습니다. Džugan 씨는 “이 시스템에서 준 정적 및 동적 인장 테스트를 조정했습니다(시스템의 액추에이터 속도는 1m/s 이상). 또한 유도 가열 장치를 사용한 첫 번째 인장 테스트와 실온 및 고온에서 저주기 및 고주기 피로 측정 테스트를 실행했습니다. 이 시스템을 사용하여 미니 샘플에 대한 파괴 인성 테스트도 수행했습니다. 대부분의 개발이 완료된 후 저희는 이러한 테스트를 위해 전용 기계를 조달했습니다.”라고 말했습니다.
고객 혜택
적층 제조 재료에 대한 소형 시편 테스트의 이점은 분명합니다. 미니 샘플을 사용하면 정확한 지역 속성 평가를 더 쉽게 수행할 수 있습니다. 소형 시편은 더 적은 재료와 최소한의 증착 시간이 필요하기 때문에 비용도 절감합니다. 작은 시편 방법은 실험 재료가 부족한 경우에도 이상적입니다.
현재 COMTES FHT는 적층 제조 재료에 대한 소형 시편 테스트 사용의 선두주자로, 테스트 목표를 달성하기 위해 MTS 테스트 시스템과 협력하게 된 것을 기쁘게 생각합니다. Džugan 씨는 “저는 유럽과 아시아에서 25년 이상 MTS와 협력해 왔으며 매우 긍정적인 경험을 했기 때문에 개발 분야에서 MTS와 더 긴밀한 관계를 구축하기 위해 노력하고 있습니다. 저희는 이미 베를린과 미니애폴리스의 MTS 직원뿐만 아니라 현재 현지 담당자와도 매우 좋은 관계를 맺고 있습니다. MTS의 지원과 테스트 장비의 안정성 및 신뢰성에 대해 높이 평가하며 앞으로도 MTS와 함께 일하기를 기대합니다.”라고 말했습니다.
