[논문]3D 프린팅시스템과 CAM시스템을 활용한 금형가공에 관한 연구

한규택

doi:10.9726/kspse.2014.18.6.091

3D 프린팅시스템과 CAM시스템을 활용한 금형가공에 관한 연구
Research on Die Machining using 3D Printing and CAM System 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.18 no.6, 2014년, pp.91 - 98

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this research is to investigate optimum machining conditions to improve the quality of die using the CAD/CAM system(Power Shape/Power Mill) and 3D printing. Surface roughness is widely used as an index for processing degree of accuracy. The Power Shape was used to model the shape of product. And the model shape is confirmed by 3D printing system(BFB-3000). Also, tool path and NC-codes were generated using Power Mill. Finally, the product was cut using CNC machine(NBS-2025). The cutting time and surface roughness were measured by measuring instrument. And then this process was repeated by changing the conditions to find optimal machining conditions. The surface roughness behavior with regard to specific factors were analyzed. Through this study, the optimal machining condition can be obtained.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

먼저 쾌속조형기술을 응용하는 3차원 프린팅 시스템(BFB)으로 준비된 제품모형을 신속히 제작하여 제품을 확인한다. 그리고 제작된 제품형상을 제조하기 위한 금형을 제작하기 위하여 CNC 밀링머신을 이용하여 금형을 가공할 때 제품형상에 따른 금형가공 특성 및 재료에 따른 금형가공 특성을 분석하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 고품질의 금형제조를 위해서 쾌속조형시스템인 3차원 프린팅시스템 및 CAM시스템을 이용하여 효율적으로 금형을 제조 하는 과제를 수행하고자 한다. 먼저 쾌속조형기술을 응용하는 3차원 프린팅 시스템(BFB)으로 준비된 제품모형을 신속히 제작하여 제품을 확인한다.
본 연구에서는 절삭속도, 공차, 가공여유를 증가시키고 그에 따른 표면조도의 결과를 분석하였다. 절삭속도에 의한 표면조도는 절삭속도가 느릴수록 표면조도의 값이 낮아진다고 알려져 있다.

제안 방법

Power Shape를 이용하여 모델링한 후 Fig. 5와같이 3D프린팅시스템을 통해 입체모델을 프린팅하여 모델을 확인하여 실제 모델과 차이점이 있는지 확인하였다. 확인된 모델을 Power Mill을 통해 tool path를 계산한 뒤, NC코드를 출력하여 CNC 밀링머신으로 가공하였다.
확인된 모델을 Power Mill을 통해 tool path를 계산한 뒤, NC코드를 출력하여 CNC 밀링머신으로 가공하였다. 가공된 모델의 표면조도는 표면조도측정기를 사용하여 측정하였으며, 각 조건에 따른 표면조도를 비교분석하는 실험을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 고품질의 금형제조를 위해서 쾌속조형시스템인 3차원 프린팅시스템 및 CAM시스템을 이용하여 효율적으로 금형을 제조 하는 과제를 수행하고자 한다. 먼저 쾌속조형기술을 응용하는 3차원 프린팅 시스템(BFB)으로 준비된 제품모형을 신속히 제작하여 제품을 확인한다. 그리고 제작된 제품형상을 제조하기 위한 금형을 제작하기 위하여 CNC 밀링머신을 이용하여 금형을 가공할 때 제품형상에 따른 금형가공 특성 및 재료에 따른 금형가공 특성을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 Power Shape와 Power Mill을 활용하여 금형형상부를 모델링 한 후 3D 프린팅 시스템을 통해 모델의 실제 형상을 확인하고, 절삭 속도와 공차, 그리고 가공여유 등 가공 조건을 달리하여 NC데이터를 생성하고 3축 가공용 CNC 밀링머신 작업을 통해 Al6061의 금형 형상부를 가공한 후, 표면조도 측정기를 이용하여 평면, 곡면, 경사면에서의 표면조도를 비교분석한 결과 금형 형상에 따른 최적의 금형가공조건을 도출할 수 있었으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
Table 5에 실험의 가공조건을 나타내었고, 가공 여유는 모든 가공에서‘0’으로 설정하였다. 실험조건은 잔삭(마무리 가공)에서 절삭속도, 공차, 가공 여유의 변화에 따른 표면조도를 확인하였다. 플런지 피드는 절삭속도에서 50 or 20 mm/min 정도 감소시켜 적용하였다.
고품질의 금형제조를 위해 가공 조건을 다양 하게 변경하였다. 일정한 위치에서의 표면조도를 측정하기 위해 Fig. 2와 같이 하이트 게이지(height gauge)를 사용하여 측정부의 위치를 고정하고 측정하고자 하는 모델의 종류만 바꾸어 측정하였다. 측정은 평면, 경사면, 곡면의 3가지 위치에서 측정하였으며, Fig.
절삭가공에서 최적의 가공조건은 가공시간이 짧고 표면조도의 값이 작은 경우로 추정할 수 있으므로, 표면조도의 측정값인 Ra 와 가공시간을 곱하여 비교하였다. Fig.
2와 같이 하이트 게이지(height gauge)를 사용하여 측정부의 위치를 고정하고 측정하고자 하는 모델의 종류만 바꾸어 측정하였다. 측정은 평면, 경사면, 곡면의 3가지 위치에서 측정하였으며, Fig. 7은 가공된 금형이며 그 위에 표면조도의 측정 위치를 표시하였다.
표면조도의 차이를 분석하고, 보다 효율적인 가공을 위해 일정수준의 표면조도를 위한 가공시간의 최적화를 목표로 하여 tool path를 생성하였다. Fig.
5와같이 3D프린팅시스템을 통해 입체모델을 프린팅하여 모델을 확인하여 실제 모델과 차이점이 있는지 확인하였다. 확인된 모델을 Power Mill을 통해 tool path를 계산한 뒤, NC코드를 출력하여 CNC 밀링머신으로 가공하였다. 가공된 모델의 표면조도는 표면조도측정기를 사용하여 측정하였으며, 각 조건에 따른 표면조도를 비교분석하는 실험을 수행하였다.

대상 데이터

가공 소재는 Al6061을 사용하였으며, 3D프린팅 시스템의 소재는 PLA(Polylactic acid)를 사용하였다. Table 4에서 Al6061의 기계적 성질 및 화학조성과 같은 재료의 특성을 나타내었다.

데이터처리

이러한 결과들로부터 최적의 가공조건을 도출하기 위해 평균표면조도 값인 ‘Ra’와 ‘가공시간’의 값을 곱하여 분석해 보았다.

성능/효과

1) 절삭속도의 변화에 따른 표면조도에 대해서는 알려진 것과 같이 속도가 느릴수록 평균표면 조도는 낮아진다는 것을 알 수 있었다. 평면에서 절삭속도를 40mm/min ~ 120mm/min 까지 증가시켰을 때, 평균 표면조도는 서서히 증가하다가 120mm/min에서 급격히 증가한다는 것을 알 수 있었다.
2) 공차의 변화에 따른 표면조도는 절삭속도의 변화와 같이 공차의 값이 클수록 표면조도의 값 또한 커진다는 것을 알 수 있었다. 공차의 크기를 0.
3) 가공여유의 변화에 따른 표면조도 또한 값이 클수록 표면조도의 값 또한 커진다는 것을 알 수 있었다. 가공여유의 크기를 0 ~ 0.
05에서 급증한다는 것을 알 수 있었다. Ra값과 가공시간을 곱한 결과에서 공차의 크기는 0.04 일 때 가장 효율적인 가공을 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
04까지 증가시켰을 때, 일정한 기울기로 증가한다는 것을 알 수 있었다. Ra값과 가공시간을 곱한 결과에서는 가공 여유가 0 일 때 가장 효율적인 가공을 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
3) 가공여유의 변화에 따른 표면조도 또한 값이 클수록 표면조도의 값 또한 커진다는 것을 알 수 있었다. 가공여유의 크기를 0 ~ 0.04까지 증가시켰을 때, 일정한 기울기로 증가한다는 것을 알 수 있었다. Ra값과 가공시간을 곱한 결과에서는 가공 여유가 0 일 때 가장 효율적인 가공을 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
평면에서 절삭속도를 40mm/min ~ 120mm/min 까지 증가시켰을 때, 평균 표면조도는 서서히 증가하다가 120mm/min에서 급격히 증가한다는 것을 알 수 있었다. 곡면에서는 80mm/min에서, 경사면에서는 120mm/min에서 급격히 증가한다는 것을 알 수 있었고, Ra값과 가공시간을 곱한 결과에서 80mm/min의 조건이 가장 효율적인 가공조건이라는 것을 알 수 있었다.
2) 공차의 변화에 따른 표면조도는 절삭속도의 변화와 같이 공차의 값이 클수록 표면조도의 값 또한 커진다는 것을 알 수 있었다. 공차의 크기를 0.01 ~ 0.05까지 증가시켰을 때, 평면에서는 0.02에서 급증하고, 곡면과 경사면에서는 0.05에서 급증한다는 것을 알 수 있었다. Ra값과 가공시간을 곱한 결과에서 공차의 크기는 0.
본 실험결과를 통해 Al6061 또한 같은 특성을 가진다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 공차와 가공여유 역시 그 값이 증가할수록 가공시간은 줄어들고, 표면조도의 값은 커진다는 것을 확인할 수 있었다.
본 실험결과를 통해 Al6061 또한 같은 특성을 가진다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 공차와 가공여유 역시 그 값이 증가할수록 가공시간은 줄어들고, 표면조도의 값은 커진다는 것을 확인할 수 있었다.
1) 절삭속도의 변화에 따른 표면조도에 대해서는 알려진 것과 같이 속도가 느릴수록 평균표면 조도는 낮아진다는 것을 알 수 있었다. 평면에서 절삭속도를 40mm/min ~ 120mm/min 까지 증가시켰을 때, 평균 표면조도는 서서히 증가하다가 120mm/min에서 급격히 증가한다는 것을 알 수 있었다. 곡면에서는 80mm/min에서, 경사면에서는 120mm/min에서 급격히 증가한다는 것을 알 수 있었고, Ra값과 가공시간을 곱한 결과에서 80mm/min의 조건이 가장 효율적인 가공조건이라는 것을 알 수 있었다.

후속연구

한편 이러한 결과가 다른 재료와 실험에서도 타당한 것인지에 대한 검토를 위해 향후 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CAM시스템을 활용하여 완제품을 제작할 때 필요한 것은 무엇인가?	그러나 최근 개발된 CAM시스템에서도 한정된 조건에서만 본체 형상을 가공할 수 있다. 더구나 CAM시스템을 활용하여 완제품 제작까지는 각 공정에서 가공순서 결정과 공구의 선택, 절삭조건의 결정 등 기계가공에 관한 많은 지식1~4) 이 필요하다. 이러한 CNC 밀링머신을 사용한 절삭가공 시에 발생하는 문제점을 해결하기 위한 방법으로 최근에는 입체모델 제작기술인 광조형(Stereo Lithography) 기술을 활용하여 복잡한 형상의 3차원 물체를 전자동으로 빠르게 만들고 있다.
	광조형 기술을 활용하여 입체모델을 제작할 경우 장점은 무엇인가?	이러한 CNC 밀링머신을 사용한 절삭가공 시에 발생하는 문제점을 해결하기 위한 방법으로 최근에는 입체모델 제작기술인 광조형(Stereo Lithography) 기술을 활용하여 복잡한 형상의 3차원 물체를 전자동으로 빠르게 만들고 있다. 이 입체모델은 소위 RP시스템 (Rapid Prototyping System)을 활용하여 제작하는 데 이 기술은 응용 범위가 매우 넓고, 새로운 독자적인 가공 및 공작 기술 체계의 변화를 가져올 수 있는 기술이다.5) 한편 정밀하게 제작된 금형을 통해서 우수한 제품이 생산될 수 있고, 정밀금형이 최종 부품 또는 제품의 경쟁력과 직결된다는 관점에서 볼 때 효율적으로 금형을 가공하는 기술에 관한 연구5-8)는 매우 중요하고 필요한 과제라고 할 수 있다.
	신속한 시제품 제작이 필요한 이유는 무엇인가?	최근에는 수요자의 다양한 요구에 따라 제품의 형상도 매우 복잡해지고 있다. 한편 국내외 시장에서 경쟁이 더욱 치열해지고 라이프 사이클(life cycle)의 변화에 따른 제품 기간의 단축, 시제품의 제작에 소요되는 시간, 비용과 인력의 감소, 설계한 모델의 외관 및 조립성 평가, 설계의 가시화, 검증 및 최적화, 동시공학 (concurrent engineering)에 있어서의 이해증진을 위한 의사소통의 도구, 조립 및 간섭에 대한 검사, 설계에 대한 소비자의 반응 검사를 위해 신속한 시제품 제작이 필요하게 되었다.

참고문헌 (8)

G. T. Kim and W. I. Kim, 2007, "A Study on the Numerical Simulation of Surface roughness due to cutting condition", Proceedings of the KSME 2007 Autumn Annual Meeting pp.146-153.
H. W. Lee and W. D. Kwon, 2010, "Determination of the minute range for RSM to select the optimum cutting conditions during turning on CNC lathe", JMST, Vol. 28, No. 8, pp.1637-1645.

원문보기 상세보기
S. W. Lee and D. J. Lee, 2012, "Prediction of Surface Roughness on the PCD Tool Turned Aluminum Alloys by using Regression Analysis", KSMPE, Vol. 11, No. 3, pp. 41-47.
C. Y. Kim, 2012, "An experimental study of Al2017 on characteristics of the surface roughness in machining center processing", KSMPE, Vol. 11, No. 3, pp. 68-72.
K. T. Han, B. Lee and J. W. Kim, 2013," A Study on Die Machining using CAD/CAM System(POWER SHAPE/MILL)", Proceedings of the KSME 2013 Spring Annual Meeting, pp.125-129.
D. H. Jin, J. D. Kim and M. C. Yoon, 2013, "Surface roughness model of end-milling surface", KSMPE, Vol. 12, No. 2 pp.67-73.
M. I. Bae and Y. S. Lee, 2014, "Surface Roughness Prediction of Interrupted Cutting in SM45C Using Coated Tool", KSMPE, Vol. 13, No. 3, pp.77-82.

원문보기 상세보기
S. H. Cheon, 2014, "Effects of cutting condition on surface roughness in the spiral up milling of aluminum alloy", KSMPE, Vol. 14, No. 4, pp.83-90.

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증