현재 금속을 재료로 하는 제품을 가공하는 대표적인 공정방식은 절삭이나 주물과 같이 전통적인 제조방법을 채택하고 있다. 이러한 방식들은 재료사용의 비효율적, 공급과 수요에 따른 제조단가적인 측면, 작업환경의 제한. 복잡한 형상의 가공의 어려움 등 여러 가지 단점들이 있다. 이와 같은 문제들을 보완하기 위해 3D프린팅이라고 불리는 신기술이 개발되고 산업현장에 배치되어 사용되고 있다. 하지만 금속을 재료로 하는 금속3D프린팅의 경우 특정 고 에너지원을 재료에 가하여 재료를 용융시킨 상태에서 공정이 진행된다. 이러한 방식으로 인해, 재료가 상태변화를 겪으면서 발생하는 열과 관련한 문제점들이 나타나고 해당 문제점들을 보완 할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이에 따라 본 논문에서는 공정이 진행되는 과정 중 재료의 상태변화가 일어나지 않고 고상상태 그대로 공정이 이루어지는 저온분사(Cold Spray)공정을 제시하고자 한다. 저온분사 공정의 원리는 재료가 가진 ...
현재 금속을 재료로 하는 제품을 가공하는 대표적인 공정방식은 절삭이나 주물과 같이 전통적인 제조방법을 채택하고 있다. 이러한 방식들은 재료사용의 비효율적, 공급과 수요에 따른 제조단가적인 측면, 작업환경의 제한. 복잡한 형상의 가공의 어려움 등 여러 가지 단점들이 있다. 이와 같은 문제들을 보완하기 위해 3D프린팅이라고 불리는 신기술이 개발되고 산업현장에 배치되어 사용되고 있다. 하지만 금속을 재료로 하는 금속3D프린팅의 경우 특정 고 에너지원을 재료에 가하여 재료를 용융시킨 상태에서 공정이 진행된다. 이러한 방식으로 인해, 재료가 상태변화를 겪으면서 발생하는 열과 관련한 문제점들이 나타나고 해당 문제점들을 보완 할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이에 따라 본 논문에서는 공정이 진행되는 과정 중 재료의 상태변화가 일어나지 않고 고상상태 그대로 공정이 이루어지는 저온분사(Cold Spray)공정을 제시하고자 한다. 저온분사 공정의 원리는 재료가 가진 녹는점 이하의 온도에서 가스와 금속재료의 가열이 이루어지고 특수한 형상의 노즐에서 발생되는 초음속수준의 초고속 가스로 재료를 분사하여 모재에 적층하는 기술이다. 재료가 모재에 충돌하는 순간 소성변형이 발생되는데 이때의 소성변형을 발생시키기 위한 최소한의 가스의 속도를 임계속도(ParticleVelocity)라고 정의한다. 임계속도는 재료가 가진 물 성치에 따라 상이하며 해당 공정에서 임계속도의 구현에 필요한 변수 조건으로는 고압의 가스, 용융점이하의 가열온도, 초음속 노즐이 있다. 온도조건 같은 경우 재료에 열을 가함으로써 인성과 연성을 부여하여 적층효율을 높이는데 있고, 재료의 녹는점 이하에서만 가열함으로써 가열온도만으로는 가스를 가속 하는데 있어 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 적층이 발생되는 임계속도를 구현하기 위해 장비구성 및 초음속노즐(Supersonic Nozzle)의 설계에 관한 이론적 배경, 각 구간별 정량적인 치수 값을 도출하는데 사용된 수식을 정리하였다. 또한 노즐내부를 유동하는 유체의 흐름과 관련된 유체역학, 초음속유체의 해석 방법 및 사용된 변수(Parameter), 해석(Ansys)결과를 제시 하였다. 설계를 바탕으로 실제 제작된 노즐을 통해 실험을 진행하였으며 결과 값으로 공급압력과 가열온도를 변수로 설정하여 각각의 적층두께를 비교하고 각 변수에 따른 적층효율에 대해 정리하였다.
현재 금속을 재료로 하는 제품을 가공하는 대표적인 공정방식은 절삭이나 주물과 같이 전통적인 제조방법을 채택하고 있다. 이러한 방식들은 재료사용의 비효율적, 공급과 수요에 따른 제조단가적인 측면, 작업환경의 제한. 복잡한 형상의 가공의 어려움 등 여러 가지 단점들이 있다. 이와 같은 문제들을 보완하기 위해 3D프린팅이라고 불리는 신기술이 개발되고 산업현장에 배치되어 사용되고 있다. 하지만 금속을 재료로 하는 금속3D프린팅의 경우 특정 고 에너지원을 재료에 가하여 재료를 용융시킨 상태에서 공정이 진행된다. 이러한 방식으로 인해, 재료가 상태변화를 겪으면서 발생하는 열과 관련한 문제점들이 나타나고 해당 문제점들을 보완 할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이에 따라 본 논문에서는 공정이 진행되는 과정 중 재료의 상태변화가 일어나지 않고 고상상태 그대로 공정이 이루어지는 저온분사(Cold Spray)공정을 제시하고자 한다. 저온분사 공정의 원리는 재료가 가진 녹는점 이하의 온도에서 가스와 금속재료의 가열이 이루어지고 특수한 형상의 노즐에서 발생되는 초음속수준의 초고속 가스로 재료를 분사하여 모재에 적층하는 기술이다. 재료가 모재에 충돌하는 순간 소성변형이 발생되는데 이때의 소성변형을 발생시키기 위한 최소한의 가스의 속도를 임계속도(Particle Velocity)라고 정의한다. 임계속도는 재료가 가진 물 성치에 따라 상이하며 해당 공정에서 임계속도의 구현에 필요한 변수 조건으로는 고압의 가스, 용융점이하의 가열온도, 초음속 노즐이 있다. 온도조건 같은 경우 재료에 열을 가함으로써 인성과 연성을 부여하여 적층효율을 높이는데 있고, 재료의 녹는점 이하에서만 가열함으로써 가열온도만으로는 가스를 가속 하는데 있어 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 적층이 발생되는 임계속도를 구현하기 위해 장비구성 및 초음속노즐(Supersonic Nozzle)의 설계에 관한 이론적 배경, 각 구간별 정량적인 치수 값을 도출하는데 사용된 수식을 정리하였다. 또한 노즐내부를 유동하는 유체의 흐름과 관련된 유체역학, 초음속유체의 해석 방법 및 사용된 변수(Parameter), 해석(Ansys)결과를 제시 하였다. 설계를 바탕으로 실제 제작된 노즐을 통해 실험을 진행하였으며 결과 값으로 공급압력과 가열온도를 변수로 설정하여 각각의 적층두께를 비교하고 각 변수에 따른 적층효율에 대해 정리하였다.
Currently, the typical processing method for processing metal-based products adopts traditional manufacturing methods such as cutting and casting. These methods are inefficient in using materials, cost-ineffective in terms of supply and demand, and limitations in the working environment. There are s...
Currently, the typical processing method for processing metal-based products adopts traditional manufacturing methods such as cutting and casting. These methods are inefficient in using materials, cost-ineffective in terms of supply and demand, and limitations in the working environment. There are several disadvantages, including the difficulty of machining complex shapes. To solve these problems, a new technology called 3D printing has been developed and deployed in industrial fields. However, in the case of metal 3D printing using a metal material, a process is performed in a state in which a material is melted by applying a specific high energy source to the material. In this way, problems related to heat generated as the material undergoes a change of state appear, and there is a demand for a technology that can compensate for the problems. Therefore, in this paper, we propose a Cold Spray process in which the state of the material does not change during the process and the process is performed as it is. The principle of a Cold Spray process is the technology of heating gas and metal material at the temperature below melting point of material and injecting material into supersonic gas of super-sonic level generated by nozzle of special shape and laminating it on the base plate. Plastic deformation occurs at the moment when the material hits the base material, and the minimum gas velocity for generating plastic deformation is defined by the particle velocity. The particle velocity depends on the material properties of the material, and the variable conditions required for the critical speed in the process include high pressure gas, heating temperature below the melting point, and supersonic nozzles. In the case of temperature conditions, there is a limitation in accelerating the gas to the heating temperature only by applying heat to the material to provide toughness and ductility to increase the lamination efficiency, thereby heating only below the melting point of the material. Therefore, this study summarizes the equations used to derive the quantitative dimensional values of each section to realize the theoretical background of the equipment configuration and the particle velocity at which the design and stacking of supersonic nozzles occur. In addition, fluid dynamics, supersonic fluid analysis methods, parameters used, and ansys results were presented. Based on the design, the experiment was carried out through the actual fabricated nozzles. As the result, the supply pressure and the heating temperature were set as variables, and the stacking thicknesses were compared.
Currently, the typical processing method for processing metal-based products adopts traditional manufacturing methods such as cutting and casting. These methods are inefficient in using materials, cost-ineffective in terms of supply and demand, and limitations in the working environment. There are several disadvantages, including the difficulty of machining complex shapes. To solve these problems, a new technology called 3D printing has been developed and deployed in industrial fields. However, in the case of metal 3D printing using a metal material, a process is performed in a state in which a material is melted by applying a specific high energy source to the material. In this way, problems related to heat generated as the material undergoes a change of state appear, and there is a demand for a technology that can compensate for the problems. Therefore, in this paper, we propose a Cold Spray process in which the state of the material does not change during the process and the process is performed as it is. The principle of a Cold Spray process is the technology of heating gas and metal material at the temperature below melting point of material and injecting material into supersonic gas of super-sonic level generated by nozzle of special shape and laminating it on the base plate. Plastic deformation occurs at the moment when the material hits the base material, and the minimum gas velocity for generating plastic deformation is defined by the particle velocity. The particle velocity depends on the material properties of the material, and the variable conditions required for the critical speed in the process include high pressure gas, heating temperature below the melting point, and supersonic nozzles. In the case of temperature conditions, there is a limitation in accelerating the gas to the heating temperature only by applying heat to the material to provide toughness and ductility to increase the lamination efficiency, thereby heating only below the melting point of the material. Therefore, this study summarizes the equations used to derive the quantitative dimensional values of each section to realize the theoretical background of the equipment configuration and the particle velocity at which the design and stacking of supersonic nozzles occur. In addition, fluid dynamics, supersonic fluid analysis methods, parameters used, and ansys results were presented. Based on the design, the experiment was carried out through the actual fabricated nozzles. As the result, the supply pressure and the heating temperature were set as variables, and the stacking thicknesses were compared.
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