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문제 정의
- 매달린 형상(overhang) 등 성형의 완전성(Integrity)나 적층된 소재의 재료적 결함, 열 공정 에 의한 잔류응력에 의한 결함 등이 대표적인 기술적 문제점이다. 본 논문에서는 금형의 성형공정을 재제조의 측면에서 소재의 제거공정과 부가공정으로 보고 부가공정인 LADMD 공정을 대표적인 소재의 제거공정인 밀링공정과 비교하여 환경영향 및 생산성을 평가하였다. 두 가지 형상의 금형에 대하여 CAM 프로그램인 PowerMill을 이용하여 가공 경로를 생성하고 가공시간을 예측하여 생산성을 알아보았다.
- 신속성형 방법으로 최근에 개발된 LADMD 기술은 기계/전자/자동차 금형산업, 항공/우주 부품산업, 의료제품 산업 등 여러 가지 적용 분야를 갖고 있으며 생산성의 향상, 재고품 처리, 환경 친화적인 생산 등을 실현할 수 있다. 본 연구에서는 금형의 성형공정을 재제조의 측면에서 소재의 제거공정과 부가공정으로 보고 부가공정인 LADMD 방법의 환경영향 및 생산성을 제거공정인 밀링가공과 비교하여 평가하였다. 두 가지 경우의 형상에 적용한 결과를 보면 최종형상의 완성을 위한 밀링가공량이 많을수록 LADMD 공정의 우수함을 볼 수 있었다.
제안 방법
- 형상 I의 경우 LADMD 가공에서 적층경로는 contour 방식을 사용하였기 때문에 절삭공구 경로도 동일하게 contour 방식을 적용하였다. LADMD 공정 및 생산성과는 관계없는 밀링방식과 주축속도는 밀링공정과 같이 하향밀링 및 6000rpm의 값을 대입하였다.
- 형상 I의 경우 LADMD 가공에서 적층경로는 contour 방식을 사용하였기 때문에 절삭공구 경로도 동일하게 contour 방식을 적용하였다. LADMD 공정 및 생산성과는 관계없는 밀링방식과 주축속도는 밀링공정과 같이 하향밀링 및 6000rpm의 값을 대입하였다.
- 밀링공정의 경우 04 2날의 초경 엔드밀을 공구로 사용하였을 때의 가공조건을 Machining Data Handbook [10]의 엔드밀링 표준 데이터로부터 설정하였다. LADMD 공정의 가공조건은 기존에 실행한 특성 실험으로부터 발췌하여 절삭가공의 조건으로 대체하였다[11]. 즉, LADMD공정의 가공조건에서 레이저 빔의 직경이 1mm이므로 이에 해당되는 공구 직경을 Imm로 설정하였고, 적층속도가 19rmn/sec이고 적층높이가 0.
- 경제성 비교를 위하여 전기사용 요금과 생산성에 가장 큰 영향을 받는 임금을 두 형상에 적용하여 가공비용을 비교하였다. 한국전력공사의 산업용 전력요금 45 원/kWh를 적용하였을 때 Table 4에서와 같이 LADMD 가공의 전력요금은 밀링가공에 비하여 각각 268배와 48배가 발생한다.
- 본 논문에서는 금형의 성형공정을 재제조의 측면에서 소재의 제거공정과 부가공정으로 보고 부가공정인 LADMD 공정을 대표적인 소재의 제거공정인 밀링공정과 비교하여 환경영향 및 생산성을 평가하였다. 두 가지 형상의 금형에 대하여 CAM 프로그램인 PowerMill을 이용하여 가공 경로를 생성하고 가공시간을 예측하여 생산성을 알아보았다. 환경친화적 가공방법인 LADMD의 환경영향은 레이저 발생에 필요한 고 에너지의 사용에 초점을 맞추어 평가하였다.
- 금형성형에 사용되는 재료는 절삭가공의 경우 판재(Plate)형태가 필요하고 LADMD에서는 분말(Powder) 형태가 필요하다. 따라서 재료의 생산과정에 따라서 잠재적인 환경영향의 차이가 발생하므로 Table 3에서와 같이 재료생산 단계를 금형생산 단계와 구별하여 평가하였다. H13 공구강의 판재를 생산하는 경우 약 20 MJ/kg의 전기 에너지가 필요하고 그 밖에 5 MJ/kg의 오일, 천연가스 등의 에너지가 필요하다.
- 금형성형에 사용되는 재료는 절삭가공의 경우 판재(Plate)형태가 필요하고 LADMD에서는 분말(Powder) 형태가 필요하다. 따라서 재료의 생산과정에 따라서 잠재적인 환경영향의 차이가 발생하므로 Table 3에서와 같이 재료생산 단계를 금형생산 단계와 구별하여 평가하였다. H13 공구강의 판재를 생산하는 경우 약 20 MJ/kg의 전기 에너지가 필요하고 그 밖에 5 MJ/kg의 오일, 천연가스 등의 에너지가 필요하다.
- 밀링 공정과 LADMD 공정의 환경영향 및 생산성을 종합적으로 평가하기 위하여 두 가지 경우의 금형가공 공정을 분석하였다. 대상 형상은 Figure 4와 같이 이미 LADMD 공정의 특성을 평가하기위하여 제작된 형상이다[9].
- 이러한 문제점을 해결하려면 용융점의 크기나, 가열온도, 응고시간 등을 제어하여야하나 분말재료의 사용률이나 열 전달률 등을 제어하는 것은 거의 불가능하다. 적층 높이 등 기하학적 완성도를 얻기 위해서는 레이저 출력, 레이저 빔 지름, 재료공급율, 가공속도, 경로중복 등 5가지 인자를 제어하는 것이 효과적이며, 제안된 방법 중 하나는 레이저의 비에너지(Specific Energy)와 분말재료 공급량을 피이드백(Feedback)으로 제어하는 것이다[1]. 피이드백 제어 시스템의 기본 기능은 Figure3과 같이 높이 감지부와 신호처리부로 구성된 시스템에 의하여 공정상 발생하는 적층높이를 감지 대상으로 하여 에너지와 재료를 조절하여 최대 적층 높이를 직접 제한한다.
- LADMD 공정에서는 전기에너지와 냉각수 외에 사용하는 물질이 거의 없으며 분말재료 운반 가스와 클래딩 중 반응에 의하여 발생하는 가스 성분 들을 방출한다. 절삭가공에서 칩과 제품에 묻어나가는 절삭유제의 양은 가공 조건에 따라 달라지며 세정 등에 의해서 후처리가 가능하기 때문에 본 연구에서는 LADMD 공정과 동등한 조건으로 사용 에너지와 대기 방출 가스를 환경영향의 요소로 한정하였다. 현재 절삭유제의 대기방출량 자료는 정리된 것이 없어서 유사한 윤활유의 방출량 자료를 참조하였다 [12].
- LADMD 공정에서는 전기에너지와 냉각수 외에 사용하는 물질이 거의 없으며 분말재료 운반 가스와 클래딩 중 반응에 의하여 발생하는 가스 성분 들을 방출한다. 절삭가공에서 칩과 제품에 묻어나가는 절삭유제의 양은 가공 조건에 따라 달라지며 세정 등에 의해서 후처리가 가능하기 때문에 본 연구에서는 LADMD 공정과 동등한 조건으로 사용 에너지와 대기 방출 가스를 환경영향의 요소로 한정하였다. 현재 절삭유제의 대기방출량 자료는 정리된 것이 없어서 유사한 윤활유의 방출량 자료를 참조하였다 [12].
- LADMD 공정의 가공조건은 기존에 실행한 특성 실험으로부터 발췌하여 절삭가공의 조건으로 대체하였다[11]. 즉, LADMD공정의 가공조건에서 레이저 빔의 직경이 1mm이므로 이에 해당되는 공구 직경을 Imm로 설정하였고, 적층속도가 19rmn/sec이고 적층높이가 0.5mm 이므로 이를 각각 이송속도 1000mm/min와 절삭깊이 0.5mm로 적용하여 가공시간을 산출하였다. 형상 I의 경우 LADMD 가공에서 적층경로는 contour 방식을 사용하였기 때문에 절삭공구 경로도 동일하게 contour 방식을 적용하였다.
- LADMD 공정의 가공조건은 기존에 실행한 특성 실험으로부터 발췌하여 절삭가공의 조건으로 대체하였다[11]. 즉, LADMD공정의 가공조건에서 레이저 빔의 직경이 1mm이므로 이에 해당되는 공구 직경을 Imm로 설정하였고, 적층속도가 19rmn/sec이고 적층높이가 0.5mm 이므로 이를 각각 이송속도 1000mm/min와 절삭깊이 0.5mm로 적용하여 가공시간을 산출하였다. 형상 I의 경우 LADMD 가공에서 적층경로는 contour 방식을 사용하였기 때문에 절삭공구 경로도 동일하게 contour 방식을 적용하였다.
- 두 가지 형상의 금형에 대하여 CAM 프로그램인 PowerMill을 이용하여 가공 경로를 생성하고 가공시간을 예측하여 생산성을 알아보았다. 환경친화적 가공방법인 LADMD의 환경영향은 레이저 발생에 필요한 고 에너지의 사용에 초점을 맞추어 평가하였다. 마지막으로 LADMD 공정과 밀링공정의 경제성을 가공시간과 에너지 사용을 기초로 분석하여 LADMD 공정의 우수성을 보여주었다.
대상 데이터
- 금형의 가공에 사용되는 밀링가공은 많은 양의 소재를 제거하기위한 황삭과 정밀도를 위한 마지막 정삭으로 나눌 수 있고 사용되는 에너지양도 차이가 있다. LADMD 공정에서도 밀링가공과 같이 적층 후 마지막 형상의 완성을 위하여 정삭이 필요하므로 밀링공정의 황삭의 경우를 에너지 소비 및 대기방출 가스 자료로 사용하였다. Table 3에서 보듯이 절삭유제에의한 대기 방출 가스량은 밀링공정 중에 사용된 전기에너지에 의한 대기 방출 가스량에 비교하여 상당이 작다.
- 금형의 가공에 사용되는 밀링가공은 많은 양의 소재를 제거하기위한 황삭과 정밀도를 위한 마지막 정삭으로 나눌 수 있고 사용되는 에너지양도 차이가 있다. LADMD 공정에서도 밀링가공과 같이 적층 후 마지막 형상의 완성을 위하여 정삭이 필요하므로 밀링공정의 황삭의 경우를 에너지 소비 및 대기방출 가스 자료로 사용하였다. Table 3에서 보듯이 절삭유제에의한 대기 방출 가스량은 밀링공정 중에 사용된 전기에너지에 의한 대기 방출 가스량에 비교하여 상당이 작다.
- 따라서 본 연구에서는 절삭가공 중에서 많이 사용하는 밀링가공을 소재의 제거공정으로 사용한다. 금형 재료로는 이미 LADMD의 재료 특성 연구에 많이 사용되었던 H13 공구강을 사용한다.
- 따라서 본 연구에서는 절삭가공 중에서 많이 사용하는 밀링가공을 소재의 제거공정으로 사용한다. 금형 재료로는 이미 LADMD의 재료 특성 연구에 많이 사용되었던 H13 공구강을 사용한다.
- 밀링 공정과 LADMD 공정의 환경영향 및 생산성을 종합적으로 평가하기 위하여 두 가지 경우의 금형가공 공정을 분석하였다. 대상 형상은 Figure 4와 같이 이미 LADMD 공정의 특성을 평가하기위하여 제작된 형상이다[9]. 형상 I은 반지름13mm의 반구형상으로 일반적인 가공에서 많이 나타나는 형상이다- 형상 II는 내경 18mm, 높이 10mm, 폭 1mm의 8자형상으로 소재 제거량이 커서 밀링가공보다 LADMD 공정으로제작하기 적합하다고 여겨지는 형상으로 설정하였다.
- 밀링 공정과 LADMD 공정의 환경영향 및 생산성을 종합적으로 평가하기 위하여 두 가지 경우의 금형가공 공정을 분석하였다. 대상 형상은 Figure 4와 같이 이미 LADMD 공정의 특성을 평가하기위하여 제작된 형상이다[9]. 형상 I은 반지름13mm의 반구형상으로 일반적인 가공에서 많이 나타나는 형상이다- 형상 II는 내경 18mm, 높이 10mm, 폭 1mm의 8자형상으로 소재 제거량이 커서 밀링가공보다 LADMD 공정으로제작하기 적합하다고 여겨지는 형상으로 설정하였다.
- 환경적으로 평가하면 대용량의 전기를 사용하고, 유해물질인 유전체(Dielectrics)를 발생시키며, 많은 양의 그래파이트(Graphite)나 구리 성분을 전극의 마모를 통하여 발생시킨다. 따라서 본 연구에서는 절삭가공 중에서 많이 사용하는 밀링가공을 소재의 제거공정으로 사용한다. 금형 재료로는 이미 LADMD의 재료 특성 연구에 많이 사용되었던 H13 공구강을 사용한다.
- 환경적으로 평가하면 대용량의 전기를 사용하고, 유해물질인 유전체(Dielectrics)를 발생시키며, 많은 양의 그래파이트(Graphite)나 구리 성분을 전극의 마모를 통하여 발생시킨다. 따라서 본 연구에서는 절삭가공 중에서 많이 사용하는 밀링가공을 소재의 제거공정으로 사용한다. 금형 재료로는 이미 LADMD의 재료 특성 연구에 많이 사용되었던 H13 공구강을 사용한다.
- 절삭가공에서 칩과 제품에 묻어나가는 절삭유제의 양은 가공 조건에 따라 달라지며 세정 등에 의해서 후처리가 가능하기 때문에 본 연구에서는 LADMD 공정과 동등한 조건으로 사용 에너지와 대기 방출 가스를 환경영향의 요소로 한정하였다. 현재 절삭유제의 대기방출량 자료는 정리된 것이 없어서 유사한 윤활유의 방출량 자료를 참조하였다 [12]. 밀링과 LADMD 공정의 사용 에너지와 대기 방출 가스의 자료는 참고문헌 [13]의 미국의 경우를 인용하여 두 자료를 Table 3과 같이 정리하였다.
이론/모형
- 5mm로 적용하여 가공시간을 산출하였다. 형상 I의 경우 LADMD 가공에서 적층경로는 contour 방식을 사용하였기 때문에 절삭공구 경로도 동일하게 contour 방식을 적용하였다. LADMD 공정 및 생산성과는 관계없는 밀링방식과 주축속도는 밀링공정과 같이 하향밀링 및 6000rpm의 값을 대입하였다.
- 5mm로 적용하여 가공시간을 산출하였다. 형상 I의 경우 LADMD 가공에서 적층경로는 contour 방식을 사용하였기 때문에 절삭공구 경로도 동일하게 contour 방식을 적용하였다. LADMD 공정 및 생산성과는 관계없는 밀링방식과 주축속도는 밀링공정과 같이 하향밀링 및 6000rpm의 값을 대입하였다.
성능/효과
- 두 가지 경우의 형상에 적용한 결과를 보면 최종형상의 완성을 위한 밀링가공량이 많을수록 LADMD 공정의 우수함을 볼 수 있었다.LADMD 공정의 생산성은 가공량이 유사한 경우에도 생산성을 결정하는 가공길이 및 가공속도에 따라 밀링공정에 비하여 월등히 우수한 결과를 보였다. LADMD 공정을 포함하여 레이저를 이용한 신속 성형기술은 분말 재료의 융해결합 과정을 통하여 재료의 강도나 공극 등의 내부 결함이 발생할 수 있으나 가공 조건의 최적화를 통하여 이러한 문제점이 해결될 수 있음이 참고문헌[8, 11]을 통하여 이미 증명되었으므로 생산성이 우수한 LADMD 공정을 도입하여도 기계적 특성에서 문제가 발생하지 않는다
- 본 연구에서는 금형의 성형공정을 재제조의 측면에서 소재의 제거공정과 부가공정으로 보고 부가공정인 LADMD 방법의 환경영향 및 생산성을 제거공정인 밀링가공과 비교하여 평가하였다. 두 가지 경우의 형상에 적용한 결과를 보면 최종형상의 완성을 위한 밀링가공량이 많을수록 LADMD 공정의 우수함을 볼 수 있었다.LADMD 공정의 생산성은 가공량이 유사한 경우에도 생산성을 결정하는 가공길이 및 가공속도에 따라 밀링공정에 비하여 월등히 우수한 결과를 보였다.
- 또한 모재에 적은 에너지가 흡수되므로 모재의 용융을 최소화(Reduction of Dilution) 할 수 있다. 따라서 기존의 방법에 비해 열 뒤틀림이 적고, 클래딩 층의 기공률을 낮추거나 없앨 수 있으며, 클래딩 층을 정밀하게 원하는 위치에 입힐 수 있어 후 가공비용을 줄일 수 있다. 대기 중에서 한 번의 공정으로 급속 응고조직이 형성되어 0.
- Table 3에서 보듯이 절삭유제에의한 대기 방출 가스량은 밀링공정 중에 사용된 전기에너지에 의한 대기 방출 가스량에 비교하여 상당이 작다. 따라서 본 연구에서는 절삭유제의 대기 환경영향을 무시하기로 하였다Table 3에서 LADMD 공정의 에너지 소비 및 대기방출 가스자료를 보면 대부분의 환경영향이 전기 소비량에서 발생함을 알 수 있다- 밀봉과 분말 운반용으로 사용되는 Ar, He 등의 가스는 환경적으로 큰 문제가 되지 않는다. 금속 분말재료는 작업자의 건강에 영향을 미칠 수 있기 때문에 제품의 추출과정에서 주의와 철저한 관리가 필요하다.
- 환경친화적 가공방법인 LADMD의 환경영향은 레이저 발생에 필요한 고 에너지의 사용에 초점을 맞추어 평가하였다. 마지막으로 LADMD 공정과 밀링공정의 경제성을 가공시간과 에너지 사용을 기초로 분석하여 LADMD 공정의 우수성을 보여주었다.
- 환경친화적 가공방법인 LADMD의 환경영향은 레이저 발생에 필요한 고 에너지의 사용에 초점을 맞추어 평가하였다. 마지막으로 LADMD 공정과 밀링공정의 경제성을 가공시간과 에너지 사용을 기초로 분석하여 LADMD 공정의 우수성을 보여주었다.
후속연구
- LADMD 공정은 또한 전기에너지와 냉각수 외에 사용하는 물질이 거의 없으며 방출하는 가스 성분 들은 무해하여 친환경적인 가공방법이다. 레이저의 발생을 위하여 사용하는 전기에너지의 양이 전통적인 밀링가공법에 비하여 월등하게 많은 점이 앞으로 개선하여야 할 문제이다. 여러 가지 장점을 갖고있는 LADMD 공정은 생산성 및 경제성이 우수하고 자원의 낭비를 줄일 수 있으며 친환경적인 가공법으로 재제조 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
- LADMD 공정은 또한 전기에너지와 냉각수 외에 사용하는 물질이 거의 없으며 방출하는 가스 성분 들은 무해하여 친환경적인 가공방법이다. 레이저의 발생을 위하여 사용하는 전기에너지의 양이 전통적인 밀링가공법에 비하여 월등하게 많은 점이 앞으로 개선하여야 할 문제이다. 여러 가지 장점을 갖고있는 LADMD 공정은 생산성 및 경제성이 우수하고 자원의 낭비를 줄일 수 있으며 친환경적인 가공법으로 재제조 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
- 레이저의 발생을 위하여 사용하는 전기에너지의 양이 전통적인 밀링가공법에 비하여 월등하게 많은 점이 앞으로 개선하여야 할 문제이다. 여러 가지 장점을 갖고있는 LADMD 공정은 생산성 및 경제성이 우수하고 자원의 낭비를 줄일 수 있으며 친환경적인 가공법으로 재제조 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
- 레이저의 발생을 위하여 사용하는 전기에너지의 양이 전통적인 밀링가공법에 비하여 월등하게 많은 점이 앞으로 개선하여야 할 문제이다. 여러 가지 장점을 갖고있는 LADMD 공정은 생산성 및 경제성이 우수하고 자원의 낭비를 줄일 수 있으며 친환경적인 가공법으로 재제조 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
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