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문제 정의
- , 2008) 점도가 낮은 숍 프라이머(Shop primer)에 대한 연구는 없는 실정이다. 따라서 본 연구는 도막 두께를 결정하는 다양한 스프레이 패턴 인자들을 고려하여 상호 연관 관계를 정립하고 이를 토대로 숍 프라이머(Shop primer)의 다중 노즐 분사를 위한 스프레이 패턴 및 도막 두께의 상관관계와 도막두께를 예측할 수 있는 관계식을 도출하여 검증하였다.
제안 방법
- 도장 로봇부는 균일한 속도 및 도장 간격을 조정할 수 있는 6축으로 구성된 도장 로봇(Paint robot)과 로봇 끝단부에 여러 개의 노즐을 동시에 장착하여 사용할 수 있는 노즐 장착대, 도료 분사의 On/Off를 제어할 수 있는 오토건(Auto gun), 일정한 기준면 위에 시편을 올려 놓을 수 있는 시편대로 구성하였다. 모니터링 장치부는 도료의 비중을 측정할 수 있는 비중계와 도장기기의 입력단과 도료 호스의 끝에 위치하여 토출단의 도료 압력과 유량을 실시간으로 모니터링할 수 있도록 구성된 압력, 유량 모니터링 장치부로 구성하였다.
- 숍 프라이머(Shop primer) 도료의 경우 비중과 점도가 낮기 때문에 상온(5~35℃) 조건에서 비중을 측정 하였으며, 도료가 미립화 상태로 분사되어 도료의 분사폭과 도장 두께를 측정하기 위해서 Table 1과 같이 도료 분사 특성 실험의 인자 범위를 설정하고 이에 따른 스프레이 패턴 인자들의 상관관계를 찾고자 하였다. 도막 형성용 시편은 철판으로 앵커패턴이 없고 표면 이물질을 제거한 1m x 1m x 1.
- 숍 프라이머(Shop primer) 도료의 경우 비중과 점도가 낮기 때문에 상온(5~35℃) 조건에서 비중을 측정 하였으며, 도료가 미립화 상태로 분사되어 도료의 분사폭과 도장 두께를 측정하기 위해서 Table 1과 같이 도료 분사 특성 실험의 인자 범위를 설정하고 이에 따른 스프레이 패턴 인자들의 상관관계를 찾고자 하였다. 도막 형성용 시편은 철판으로 앵커패턴이 없고 표면 이물질을 제거한 1m x 1m x 1.6t 크기로 준비하였으며 도료의 분사압을 측정하기 위해 도장기 토출단과 도료호스 끝단의 도료 토출단에 압력센서를 장착하였다.
- 도장기기는 45:1 에어리스 펌프와 내경 3/8inch 200m 길이 도료호스로 분사노즐을 연결하였으며 도장 기기에 따른 특성 및 호스 길이에 따른 압력 저하 실험을 하였다. 또한 자동 도장 장비의 상부에서 하부로 분사되는 전처리 도장 조건을 유지하기 위해 도장 로봇 끝단에 3개의 멀티 오토건을 설치하여 노즐에 따른 도막 분사폭 및 도막 두께에 대한 상관관계 실험을 진행하였다.
- 도장기기는 45:1 에어리스 펌프와 내경 3/8inch 200m 길이 도료호스로 분사노즐을 연결하였으며 도장 기기에 따른 특성 및 호스 길이에 따른 압력 저하 실험을 하였다. 또한 자동 도장 장비의 상부에서 하부로 분사되는 전처리 도장 조건을 유지하기 위해 도장 로봇 끝단에 3개의 멀티 오토건을 설치하여 노즐에 따른 도막 분사폭 및 도막 두께에 대한 상관관계 실험을 진행하였다.
- 도료 분사 시 도장 속도와 시편과의 간격을 일정하게 유지하여 분사하고 실험의 재현 및 신뢰성을 높이기 위해 Fig. 3과 같이 도료 분사를 위한 패턴 및 인자 설정을 하고 도장 로봇을 제어할 수 있는 프로그램을 개발하여 사용하였다.
- 도장 패턴 프로그램에는 도장 패턴 설정, 시편과의 간격, 도장 속도, 도료 분사 반복 횟수 등을 입력하여 제어할 수 있도록 구성하였다.
- 도료 분사을 시작하는 시점의 분사 압력은 도료 호스내의 압력으로 인해 초기 압력이 높게 나와 과도막의 원인이 되는데 실험에서는 이러한 초기 조건을 제거하기 위해 시편에 도료를 분사하기 전에 약 1초간 사전 분사를 실시하여 초기 높은 분사압을 제거한 후 아래보기 방향으로 시편에 도장을 실시하여 균일한 도막 두께가 형성되도록 설정하였다.
- 도장된 시편의 도장 두께를 측정하기 위해서는 Fig. 4와 같이 Elcometer 456을 이용하여 도장된 유효면적을 대상으로 분사진행 방향으로 10cm 간격, 팁의 패턴방향으로 2cm 간격으로 시편 전면적의 도막 두께를 측정하고 측정 포인트 당 5회 반복 측정하여 평균 도막두께를 이용하였다.
- 도장기기의 불규칙한 맥동에 의한 토출 압력 변화, 도료 호스 길이에 의한 압력 저하, 도막 두께 측정 오차 및 숍 프라이머(Shop primer)의 징크(Zinc) 입자에 의한 팁의 마모 등은 도막 두께 예측에 있어 오차를 유발시킬 수 있는 인자들이다. 따라서 Table 2와 같은 도장 조건 실험을 이용하여 테스트를 진행하였으며 식 (2)의 분사폭과 식 (3)에 의한 도막두께 예측값이 측정된 도막두께 값과 일치하는지에 대해 예측식을 검증하였다. 실험 결과, Fig.
대상 데이터
- 도장 기기부는 숍 프라이머 (Shop primer)를 일정한 유량과 압력으로 공급하기 위해 도장기기(Airless pump)와 고형성분의 침전을 방지하고 균일한 혼합을 위한 교반기(Agitator), 펌프에 의해 가압된 유체의 압력을 원하는 압력으로 조절하여 주는 고압 레귤레이터(Air-operated high pressure regulator)로 구성되어 있다. 도장 로봇부는 균일한 속도 및 도장 간격을 조정할 수 있는 6축으로 구성된 도장 로봇(Paint robot)과 로봇 끝단부에 여러 개의 노즐을 동시에 장착하여 사용할 수 있는 노즐 장착대, 도료 분사의 On/Off를 제어할 수 있는 오토건(Auto gun), 일정한 기준면 위에 시편을 올려 놓을 수 있는 시편대로 구성하였다. 모니터링 장치부는 도료의 비중을 측정할 수 있는 비중계와 도장기기의 입력단과 도료 호스의 끝에 위치하여 토출단의 도료 압력과 유량을 실시간으로 모니터링할 수 있도록 구성된 압력, 유량 모니터링 장치부로 구성하였다.
- 분사의 미립화 상태와 스프레이 패턴의 크기를 얻기 위해서 팁은 그라코(Graco) 821, 921, 823, 923으로 선정하여 실험을 진행하였으며 안료, 바인더, 첨가제로 구성되어 있는 무기징크 프라이머 (Inorganic zinc primer)에 신나의 양을 1.12~1.26 비중 범위에서 실험하였다.
성능/효과
- 테스트 결과 도료의 분사량은 분사압력, 숍 프라이머(Shop primer)의 비중, 팁 종류에 의해 커다란 영향을 받았다.
- 실험결과 분사폭을 결정하는 주요 인자는 팁종류, 도료 비중, 분사압력, 시편과의 도장 거리이다. 따라서 도장 기기의 압력을 고정하고 부재와의 분사 거리를 변화시키면서 실험을 진행한 결과 Fig. 6과 같이 분사거리와 분사폭의 관계는 선형적으로 비례하다가 노즐에서 약 300mm 근처에서부터 비선형적으로 비례함을 알 수 있다. 원인은 Fig.
- 그러나 장시간 팁을 사용함에 따라 팁이 마모되면서 분사폭이 감소하고 분사량이 증가함을 실험을 통해 알 수 있었다. 팁의 마모는 팁을 통과하는 도료에 포함된 입자가 거칠수록, 팁을 통해 유체를 밀어내는 압력이 크면 클수록 마모는 심해진다.
- Fig. 13은 노즐 간격에 따른 중첩비를 나타낸 것으로 도막두께 15㎛를 기준으로 도장 조건을 세팅하여 노즐의 간격을 조절하여 중첩비율을 변화시켰을 경우 중첩비가 50% 이상에서는 도막 두께 편차가 3 ㎛ 이내의 결과를 나타냈지만 중첩비가 50% 이하에서는 도막 두께 편차가 증가함을 알 수 있었으며 Fig. 14에서와 같이 중첩비가 증가하게 되면 도막은 균일해지지만 용접결함을 유발할 수 있는 도막두께가 두껍게 도장되었으며 중첩비를 줄일 경우는 도막 두께의 편차가 심해지는 것을 알 수 있다. 따라서 중첩 비율 50%일 경우에 기준에 맞는 도막두께 유지하여 균일한 도막 두께를 얻을 수 있었으며 도막 두께 균일화를 위한 중첩 비율의 중요 인자가 노즐 간의 간격임을 알 수 있다.
- 따라서 검증된 도장 조건을 기준으로 3개의 멀티 노즐로 구성된 자동화 장비를 개발하여 생산에 적용함으로써 Fig. 19와 같이 넓은 면적에 균일한 도막 두께를 형성할 수 있었다.
후속연구
- 본 연구를 통해 각 도장인자 별에 따른 도막 두께의 예측식을 도출하고 유효성을 검증하였으며 정립한 분사폭 및 도막두께 예측식을 생산현장에 적용함으로써 균일한 도막 두께 확보에 기여할 것으로 기대된다.
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