[논문]연마제 워터젯을 이용한 복합재 미세가공의 백화현상에 대한 연구

박강수; 박연경; 고정상; 신보성

[국내논문] 연마제 워터젯을 이용한 복합재 미세가공의 백화현상에 대한 연구
A Study on the Frosting Phenomena of Abrasive Waterjet Microcutting for Multi-Layered Materials 원문보기

한국공작기계학회논문집 = Transactions of the Korean society of machine tool engineers, v.16 no.5, 2007년, pp.183 - 190

박강수 (부산대학교 기계공학부 대학원) , 박연경 (부산대학교 기계공학부 대학원) , 고정상 (부산대학교 기계공학부) , 신보성 (부산대학교 ERC)

Abstract ▼ AI-Helper

It is well known that abrasive waterjet(AWJ) was developed as a kind of high-density energy processing technologies. AWJ is used to obtain the better cutting quality of various materials such as metals, ceramics, glass and composite materials within a short manufacturing time because of the characteristics of heatless and noncontact processing. However, AWJ device still has some problems to obtain the high quality of thin workpiece. In this paper, we investigated the optimal microcutting conditions of AWJ, such as maximum pressure, cutting speed and standoff distance of thin multi-layered materials. The experimental results show that AWJ has possibilities and potential to apply to the microcutting of thin multi-layered materials for IT industrial applications.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 워터젯의 장점을 이용하여 지금까지 주로 연구되어왔던 단층으로 이루어진 특정 금속 가공에서 벗어나, 여러 소재로 이루어져 있는 얇은 복합재의 가공성에 대해 연구하였다.
이러한 원인을 전산해석을 통하여 백화현상에 직접적인 영향을 미치는 요소를 확인해 보았다. 전산해석 프로그램으로는 상용 유체유동해석 프로그램 인 ESI사의 CFD-ACE를 이용하였으며 연마재 커팅헤드 부분에서 고압의 물이 분사될 때의 연마재의 거동을 중점적으로 확인하였다.
본 논문에서는 연마제 워터젯을 이용하여 에폭시, 구리, 유리 등 다양한 재질로 이루어진 얇은 복합재를 절삭하여 절삭시 노즐의 이격거리, 가공압력, 가공속도에 따른 가공성에 대해 분석하였다.

제안 방법

여러가지 소재로 이루어진 복합소재를 연마제 워터젯을 이용하여 최적의 절삭 조건을 찾기 위해 절삭 기초실험을 실시하였다. 시 편은 Fig.
첫 번째 실험조건은 가공압력 150MPa, 가공속도 1, 000 mm/min으로 고정하고, 노즐이 격 거리(Standoff distance)를 0.4mm~5.6mm까지 0.2mm씩 증가시키며 가공하였다.
이러한 실험으로 가공된 시편의 가공이 시작되는 부분과 끝부분을 각각 제외하고, Fig. 5에서와 같이 시편에 가공이 시작되는 윗면의 너 비(Entrance kerf width)와 워 터 젯이 소재에 관통하여 나가는 아랫면의 너 비(Exit kerf distance)의 비율을 분석한 테이퍼비(Taper ratio)에 대해 노즐 이격거리, 가공압력, 가공속도에 따른 가공성을 실험 분석하였다. 그리고 앞에서 실험한 이격거리, 가공압력, 가공속도에 따른 표면 정밀도를 알파스텝퍼(a-stepper)를 이용하여 측정 분석하였다.
5에서와 같이 시편에 가공이 시작되는 윗면의 너 비(Entrance kerf width)와 워 터 젯이 소재에 관통하여 나가는 아랫면의 너 비(Exit kerf distance)의 비율을 분석한 테이퍼비(Taper ratio)에 대해 노즐 이격거리, 가공압력, 가공속도에 따른 가공성을 실험 분석하였다. 그리고 앞에서 실험한 이격거리, 가공압력, 가공속도에 따른 표면 정밀도를 알파스텝퍼(a-stepper)를 이용하여 측정 분석하였다.
3.1 노즐 이격거리에 따른 가공성

가공압력과 가공속력을 일정하게 유지하고, 노즐의 이격거리를 0.4mm~5.6mm까지 0.2mm씩 증가시키는 방법으로 실험하였다. 노즐 이격거리가 0.
가공 속도 l, 000mm/tnin, 노즐 이격거리 1.0mm로 일정하게 유지하며, 가공압력을 80~320MPa까지 20MPa씩 증가시키며 실험을 하였다. 가공압력 80MPa보다 작을 때와 320MPa보다 클 경우 워터젯 장비 및 실험결과의 불안정으로 실험 범위에서 제외하였다.
0mm, 가공압력 150MPa로 일정하게 유지하여 7].공속도를 200-3, OOOmm/min까지 200mnVmin씩 증가시키며 실험하였다. 그러나 속도 200mm/min이하의 경우 소재가 가공시간 동안 가공압력을 이겨내지 못하는 불안정한 공정이 발생할 수 있어 실험에서 제외하였다.
워터젯 가공 파라미터 중 앞에서 실험한 내용인 노즐의 이격거리, 가공압력, 가공속도에 따른 표면 거칠기를 Fig. 15와 같은 알파스텝퍼를 이용하여 측정하였다.
4와 같이 이격거리(Standoff distance), 가공속도(Cutting feed rate), 가공압력 (Cutting pressure), 연마재(Abrasive) 종류와 크기, 절단 각도(Cutting angle), 노즐(Nozzle), 오리피스(Orifice) 등이있다. 이러한 파라미터에서 직경 0.5mm, 높이 50.4mm 크기노즐과 0.2mm의 오리피스 그리고 연마제로는 가넷(Garnet)으로 일반 워터젯 가공에서 정밀한 가공 시에 주로 사용되는 #220의 크기를 사용하고, 절단각도는 90°를 기본조건으로 이격거리, 가공속도, 가공압력을 바꾸어 가며 가공성에 대해연구하였다.

대상 데이터

본 논문실험에 사용된 장비는 연마재 워터쳇으로 Fig. 1과 같이 작업테 이블(CNC table), 펌프부분(Pump unit), CNC컨트롤러 등 크게 3부분으로 나뉘어 있다. 워터젯 가공에서 초고압수가 나오는 과정은 Fig.
이 축압기는 압력맥동을완화시켜 커팅헤드로 물을 안정적이고 일관되게 분사시켜준다(5, 6). 본 연구에 사용된 연마제 워터젯 사양은 Table 1과같이 최대압력 410MPa, 토출 유량 3.8 i /min, 최대가공속도 15,000mm/min 이다.
여러가지 소재로 이루어진 복합소재를 연마제 워터젯을 이용하여 최적의 절삭 조건을 찾기 위해 절삭 기초실험을 실시하였다. 시 편은 Fig. 3과 같이 두께는 448㎛의 구리(Copper), PPQGlass F/Epoxy)로 이루어진 복합재를 사용하였다. 본 소재는 PCB(Printed circuit board)에 사용되고 있는 구성과유사하게 제작된 소재이다.
3과 같이 두께는 448㎛의 구리(Copper), PPQGlass F/Epoxy)로 이루어진 복합재를 사용하였다. 본 소재는 PCB(Printed circuit board)에 사용되고 있는 구성과유사하게 제작된 소재이다.

데이터처리

미치는 요소를 확인해 보았다. 전산해석 프로그램으로는 상용 유체유동해석 프로그램 인 ESI사의 CFD-ACE를 이용하였으며 연마재 커팅헤드 부분에서 고압의 물이 분사될 때의 연마재의 거동을 중점적으로 확인하였다.

성능/효과

첫째, 이격거리에 따른 표면 정밀도는 Fig. 16과 같이 노즐 이격거리가 커질수록 표면 거칠기가 1.90um에서 4.71um로 나빠진다.
둘째, 가공압력에 따른 결과는 Fig. 17과 같이 가공압력이 커질수록 거칠기는 6.14um에서 1.77um로 좋아진다.
셋째, 가공속도에 따른 표면 거칠기 결과는 Fig. 18과 같이 가공성이 나빠지며, 속도가 느리면 가공성이 좋아지는 것을 확인할 수 있다.
그 결과 Fig. 20에서와 같이 처음 분사되는 워터젯의 끝단은 포커싱 노즐을 통과하는 순간부터 퍼지기 시작하여 이격거리가 멀어질수록 넓게 퍼지며, Fig. 20 (c) 이후에는 확실히 넓어지는 것을 확인할 수 있다. 전산해석 결과와 같이 퍼진 워터젯의 끝단의 가장자리에 위치하는 연마제는 포커싱 노즐 폭보다 넓게 산란되며 가공 재료에 부딪히게 된다.
(1) 노즐의 이격거리가 커질수록 절삭폭이 넓어지고, 연마제 분산으로 불안전한 가공현상이 많아지며, 테이퍼비가 커지는 등 가공성이 떨어진다. 하지만 노즐의 이격거리가 짧으면 가공성은 좋아지나, 너무 짧으면 역류현상등 불안정한 공정의 원인이 된다.
(2) 가공압력이 낮을수록 소재에 가해지는 힘의 전달속도가 느려져 가공성이 나빠진다. 그리고 가공압력이 높아지면 소재에 가해지는 힘의 전달속도가 빨라져 가공성이 양호해 진다.
(4) 파라미터에 따른 가공성이 좋아질수록 표면조도 또한 양호해진다.
(5) 노즐 직경 500um, 높이 50.4mm 크기 노즐을 사용하여 가공조건을 노즐 이격거리 0.6mm, 가공압력 200MPa, 가공속도 l, 000mm/min으로 가공할 경우 노즐 직경보다 작은 480um의 가공폭을 얻을 수 있다.
(3) 가공속도가 빨라질수록 연마제의 영향을 덜 받게 되어 가공성이 나빠지며, 가공속도가 너무 느리면 오랜 시간가공압력을 이겨내지 못하고 소재에 영향을 주어 가공성이 나빠진다.

후속연구

달라진다. 따라서 연마재 워터젯을 이용하여 PCB기판과 같은 얇은 복합소재의 미세가공에 대한 가공성을 확인하였으며, 향후 마이크로 워터젯에 대한 연구를 계속하여 더욱 미세한 가공이가능할 수 있도록 연구할 예정이다. 가공이 가능할 수 있도록 연구할 예정이다.

참고문헌 (8)

Kuleckci, M. K. 2002, 'Processes and apparatus developments in industrial waterjet applications,' International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 42, No. 12, pp. 1297-1306

상세보기
Kovacevic, R., Hashish, M., Mohan, R., Ramula, M., Kim, T. J. and Geskin, E. S, 1997, 'State of the Art of Research and Development in Abrasive Waterjet Machining,' Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 119, No. 4/2, pp. 776-785

상세보기
Miller, A., King, L., G. W. and Savanick, G. A., 2001, 'Waterjet Cleaning of Truck-Mounted Concrete Mixing Tanks,' Proceedings of the 2001 WJTA American Waterjet Conference, Vol. 2, pp. 551-566
Kwak, J. S. and Ha, M. K., 2004, 'Effects of Traverse Speed on Dimensional Error in Abbrasive Water-Jet,' Transactions of the Korean Society of Machine Tool Enigineers, Vol. 13, No. 3, pp. 1-7
Choi, B. M., Hong, S. K., Ryuh, B. S. and Park, S. M., 2001, 'Development of PC-NC Water Jet System and Cutting of Titanium,' Korea Society of Precision Engineering, Vol. 18, No. 3, pp. 53-60
Arola, D. and Ramulu, M., 1993, 'A Study of Kerf Characteristics in Abrasive Water-jet Machining of Graphite/Epoxy Composite,' ASEM - Publications - PED, Vol. 66, pp. 125-151
Ramulu, M. and Arola, D., 1994, 'The Influence of Abrasive Waterjet Cutting Conditions on the Surface Quality of Graphite/Epoxy Laminates,' Int. J. Mach. Tools Manufact, Vol. 34, No. 3. pp. 295-313

상세보기
Kovacevic, R., Wang, L. and Zjang, Y. M., 1993, 'Detection of Abrasive Waterjet Nozzle Wear Using Acoustic Signature,' Proceedings of the American Waterjet Conference, Vol. 7, pp. 217-232

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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