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문제 정의
- 본 논문에서는 3D 프린트된 복합형상의 광경 화성 수지와 열가소성수지로 구성이 된 이종폴리머 접합의 특성과 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 다양한 분석을 통해서 최적의 접합을 위한 이론 및 실험결과를 보고한다.
제안 방법
- 또한, 최소 입열량 조건인 출력 P= 5Watt 와 v=1,000mm/min의 조건에서에서 시뮬레이션하고, 경계면에서의 온도분포를 알아보았다. 약 10초간의 시뮬레이션을 통해서 총 4번의 열원이 분산되어서 소입이 되었고, 1차 열원 통과시 접합시 경계면 최고온도가 약 49.
- 본 논문에서는 격자가 있는 광경화성수지와 폴리아세테이트 수지의 레이저 접합해석에 대한 실험적 결과와 컴퓨터시뮬레이션 결과를 비교분석 하였다. 열경화성수지의 일종인 광경화성 수지와 열가소성수지의 일종인 폴리아세테이트를 접합하기 위하여 레이저를 사용하였다.
- 본 논문에서는 최소소입에너지 조건인 P=5Watt, v=1,000 mm/min의 조건과 최대소입에너지 조건인 P=7Watt, v=500mm/min의 조건을 비교하면서 시뮬레이션 결과를 비교 분석하였다.
- 열원은 표준정규분포(Gaussian) 형태의 열원으로 가정을 하고, 빔의 형태를 형상계수(Shape Factor)를 사용하여서 고에너지빔의 형태를 실제 실험결과와 근접하게 검증하였다. 수치해석 툴의 검증(Numerical Solution Validation)은 선행연구(5)에서 열전대(Thermal Couple) 및 열화상카메라(IR Camera)로 수행하였다.
- 시뮬레이션의 결과를 3차원으로 도식화하여 Fig. 5와 같은 결과를 얻었지만, 분석의 편의를 위해서 상부 Layer를 생략하고, 경계면의 온도분포와 열유속방향에 대해서 집중 고찰하였다.
- 열원은 표준정규분포(Gaussian) 형태의 열원으로 가정을 하고, 빔의 형태를 형상계수(Shape Factor)를 사용하여서 고에너지빔의 형태를 실제 실험결과와 근접하게 검증하였다. 수치해석 툴의 검증(Numerical Solution Validation)은 선행연구(5)에서 열전대(Thermal Couple) 및 열화상카메라(IR Camera)로 수행하였다.
- 2a)를 사용하였다. 이를 통해서 접합시 일어나는 다양한 현상 및 변수에 따른 접합특성을 예측하였고, 실험 값과 비교 검증하였다.
- 1(b)). 전송된 레이저빔은 808nm 파장에서 95% 이상의 투명성을 가지는 상부의 Poly-urethane 영역을 통과하여, 하부에 생분해성 아세테이트 수지 계면에 도착하는 구조로 제작하였다.
- 초기 변수설정을 위해서 실험은 다양한 범위에서 선행실험을 하였고,(5) 접합에 주요최적 조건인 5Watt에서 7Watt 영역범위에서 수행을 하였으며, 이송속도는 500mm/min에서 1,000mm/min 영역에서 수행하였다. 결과적으로 전영역에서 접합이 이루어짐이 확인되었으나, 소입된 에너지의 양은 다르게 설정하였다.
- 최대 입열량인 P= 7Watt와 v=500mm/min의 조건에서에서 시뮬레이션하고, 경계면에서의 온도 분포를 알아보았다. 약 10초간의 시뮬레이션하였을 때, 1차 열원 통과시 접합시 경계면 최고온도가 약 82°C 였고, 2차 열원으로는 113°C까지 상승하였다.
대상 데이터
- 3D 프린터는 PROJET HD3500(미국 3D systems Inc.) 이며, 소재(Mold)는 우레탄 계열의 Urethane acrylate oligomers(20~40%), Ethoxylated bisphenol A diacrylate(15~35%), 그리고 Tripropyleneglycol diacrylate(1.5~3%)로 구성된 것이다. 고상 Polyurethane의 비등점은 200°C 이상이며 비중은 1.
- 5mm 로 제작이 되었으며, 일정한 힘으로 가압하였다. 사용된 레이저는 808nm 파장을 발생시키며 최대 60Watt의 출력을 낼 수 있도록 자체 제작하였다. 광원은 광섬유를 통해서 전송되며 소형 CNC 머신에 준비된 폴리머 접합장치에서 접합이 이루어지도록 하였다(Fig.
- 실험장치는 레이저 발진장치, 빔 이송장치, 시 편 고정장치, 데이터 취득장치(DAQ) 그리고 시스템 제어장치로 구성이 되어 있다. 발진된 레이저는 빔 이송장치를 통해서 상부의 Poly-urethane에 조사되어서 하부의 Poly-acetate 계면에 전달되며, Poly-acetate 계면에서 빔이 흡수되는 원리가 되도록 구성하였다(Fig.
- 본 논문에서는 격자가 있는 광경화성수지와 폴리아세테이트 수지의 레이저 접합해석에 대한 실험적 결과와 컴퓨터시뮬레이션 결과를 비교분석 하였다. 열경화성수지의 일종인 광경화성 수지와 열가소성수지의 일종인 폴리아세테이트를 접합하기 위하여 레이저를 사용하였다. 상부 광경화성 수지에 조사된 레이저는 두 폴리머의 경계면인 폴리아세테이트 상면에서 흡수되고, 이후 유리천이온도에 도달후 상면의 격자사이로 침투되어 기계적인 접합이 이루어지는 원리이다.
이론/모형
- 본 실험을 이론적으로 분석하기 위한 분석소프트웨어로 COMSOL Multiphysics(Ver. 4.2a)를 사용하였다. 이를 통해서 접합시 일어나는 다양한 현상 및 변수에 따른 접합특성을 예측하였고, 실험 값과 비교 검증하였다.
- 열입력을 나타내는 방정식으로는 2차원 타원열원(2D Elliptical heat source) 모델을 사용하였으며, 식 (1)에 나타내었다. 또한 깊이 방향의 열원의 분포는 지수함수 형태로 구성이 되며, 감소계수(Ac)를 통해서 결정된다.
성능/효과
- 결과적으로 최저 열소입량 조건인 P=5Watt, v=1,000mm/min에 비해 최고 열소입량 조건 P=7Watt, v=500mm/min에서 높은 접합력을 보였다. 하부 아세테이트의 평균 충진높이가 300μm 에서 450μm 로 약 50%정도 증대가 되었다.
- 본 시뮬레이션에서 확인된 바로는 1차, 2차, 3차에 걸친 열원소입에도 불구하고 소재는 연화온도에 도달하지 못해서 가압을 통한 접합은 이루어지지 않았을 것으로 예상되며, 결과적으로는 마지막 열 소입단계인 4차에서만 접합이 이루어졌을 것으로 분석이 된다.
- 약 10초간의 시뮬레이션을 통해서 총 4번의 열원이 분산되어서 소입이 되었고, 1차 열원 통과시 접합시 경계면 최고온도가 약 49.7°C 였고, 2차 열원 64.6°C, 3차 열원 76.1°C, 그리고 마지막 4차 열원으로는 경계면 온도가 최대 86.7°C 까지 상승하였다.
- 약 10초간의 시뮬레이션하였을 때, 1차 열원 통과시 접합시 경계면 최고온도가 약 82°C 였고, 2차 열원으로는 113°C까지 상승하였다.
- 7(b)). 열유속도 마찬가지로 내부에서의 열이 접합계면을 통해서 상부의 공기층으로 흐르는 것이 7Watt 500mm/min 보다 다소 완만한 것을 알 수가 있었으며, 결과적으로 유체의 유동 방향(Flow)도 더 느린 속도로 이루어졌을 것으로 분석된다.
- 6(b)). 열유속을 살펴보면 내부에서의 열이 접합계면을 통해서 상부의 공기층으로 흐르는 것을 알 수가 있었으며, 결과 적으로 유체의 유동방향(Flow)도 동일방향으로 이루어졌을 것으로 분석된다.
- 용접시 표면온도 분포를 시뮬레이션 결과를 통해서 알아보면, 상대적으로 높은 용접으로 인해 용접후 영역(Welding Trail)이 다소 짧은 것으로 나타났다(Fig. 7(b)).
- 6(a)). 전반적인 온도분포를 시뮬레이션 결과를 통해서 알아보면, 높은 접합속도로 인해서 이웃 영역과의 온도 변화가 크고, 용접후 영역(Welding Trail)이 다소 짧은 것으로 나타났다(Fig. 6(b)).
- 출력 5Watt ~ 7Watt의 범위와 용접속도 500 ~1,000mm/min 범위에서 실험 및 시뮬레이션한 결과, 유동의 흐름을 예측할 수 있는 온도와 열유동방향을 예측할 수 있었으며, 접합의 원리를 이해할 수 있었다. 접합실험에서 최대 입열조건인 고출력 저속에서의 2 scan 접합이 최소 입열조건이 저출력 고속 조건의 4 scan 보다는 훨씬더 효과적인 것으로 나타났고, 이는 에너지분산도 일정수준(Threshold) 이상의 최소에너지 즉, 유리천이온도 이상이 되어야만 효과적인 것을 알 수가 있었다.
- 출력 5Watt ~ 7Watt의 범위와 용접속도 500 ~1,000mm/min 범위에서 실험 및 시뮬레이션한 결과, 유동의 흐름을 예측할 수 있는 온도와 열유동방향을 예측할 수 있었으며, 접합의 원리를 이해할 수 있었다. 접합실험에서 최대 입열조건인 고출력 저속에서의 2 scan 접합이 최소 입열조건이 저출력 고속 조건의 4 scan 보다는 훨씬더 효과적인 것으로 나타났고, 이는 에너지분산도 일정수준(Threshold) 이상의 최소에너지 즉, 유리천이온도 이상이 되어야만 효과적인 것을 알 수가 있었다.
- 컴퓨터시뮬레이션을 통해서 온도분포를 예측할 수 있었으며, 열유동의 방향과 크기를 통해서 유체유동의 방향을 간접적으로 예측해 볼 수 있었다.
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