[논문]DMT기술을 활용한 형상적응형 냉각채널 적용 사례 연구

김우성; 홍명표; 박준석; 이윤선; 차경제; 성지현; 정민화; 이예환

doi:10.14775/ksmpe.2015.14.3.009

DMT기술을 활용한 형상적응형 냉각채널 적용 사례 연구
Case Studies on Applications of Conformal Cooling Channel Based On DMT Technology 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.14 no.3, 2015년, pp.9 - 14

김우성 (한국생산기술연구원 대경지역본부 극한제조기술그룹) , 홍명표 (한국생산기술연구원 대경지역본부 극한제조기술그룹) , 박준석 (한국생산기술연구원 대경지역본부 극한제조기술그룹) , 이윤선 (한국생산기술연구원 대경지역본부 극한제조기술그룹) , 차경제 (한국생산기술연구원 대경지역본부 극한제조기술그룹) , 성지현 (한국생산기술연구원 대경지역본부 극한제조기술그룹) , 정민화 ((유)대구특수금속) , 이예환 ((주)엔디에프)

Abstract ▼ AI-Helper

The Direct Metal Tooling (DMT) process is a kind of additive manufacturing processes, which is developed using various commercial steel powders, such as P20, P21, SUS420, and other non-ferrous metal powders. The DMT process is a versatile process that can be applied to various fields, such as the molding industry, the medical industry, and the defense industry. Among them, the application of the DMT process to the molding industry is one of its most attractive and practical applications, since the conformal cooling channel cores of injection molds can be fabricated at a slightly expensive cost by using the hybrid fabrication method of DMT technology compared with parts fabricated with machining technology. The main objectives of this study are to provide various characteristics of the parts made using the DMT process compared with the same parts machined from bulk materials and evaluate the performance of the injection mold equipped with a conformal cooling channel core fabricated using the hybrid method of the DMT process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 DED적층가공 방식 중 하나인 DMT기술을 이용한 형상적응형 냉각채널의 제작응용사례를 소개하였고 아래와 같은 3가지 결론을 얻었다.
본 연구에서는 대표적인 방식의 적층기술 중 하나인 DMT기술을 활용한 형상적응형 사출금형 연구에 관하여 실 사례 중심의 연구결과를 소개하고자 한다 이를 위하여 물성연구, 냉각채널 설계 및 선행검증, 시사출 및 냉각성능 평가결과를 포함하였다.

제안 방법

적층가공법은 ASTM International Committee F42 에서 적층소재, 적층방식에 따라 1) Material extrusion, 2) Material jetting, 3) Binder jetting, 4)Sheet lamination, 5) Vat photopolymerization, 6) Powder bed fusion(PBF), 7) Direct energy deposition(DED) 으로 분류하였다.^[1] 하지만 상기 7가지 방식에서 벗어나 다양한 형태의 새로운 3D프린팅 기술개발도 활발히 진행되고 있다.
DMT 적층 후 모재와 적층부 계면에서에 나타나는 조직특성을 살펴보기 위해 SKD11 분말을 사용하여 적층 실험을 수행하였으며, Fig. 2에서 각 영역에서의 조직을 나타내었다 적층단면은 모재(Substrate), 열영향부(Heat affected zone, HAZ), 계면(Interface), 적층부(Deposition zone)으로 나눌 수 있다.
사출성형해석을 통하여 냉각성능이 개선됨을 확인한 후 하이브리드 조형방식에 따라 적층금형을 제작하였다. Fig. 9와 같이 기계가공 후 냉각채널 연결을 위한 쿠폰(Coupon) 제작하였으며, 쿠폰 삽입후 마감 적층 순서로 형상적응형 냉각채널 금형 코어를 제작하였다.
선행연구결과를 바탕으로 형상적응형 냉각채널코어를 제작하였다. 먼저 기계가공이 가능한 수직 냉각채널을 기계가공으로 가공을 한 후 냉각채널을 구성하는 상부를 Coupon으로 제작하여 조립하고 그 위를 DMT기술을 활용하여 적층을 한 후 최종가공하는 과정으로 제작하였으며, 그 과정은 Fig. 5에 나타내었다.
사출성형해석을 통하여 냉각성능이 개선됨을 확인한 후 하이브리드 조형방식에 따라 적층금형을 제작하였다. Fig.
사츨성형해석을 통하여 냉각균일성이 5℃ 이하로 매우 양호함을 확인하였으며, 하이브리드 조형방식에 따라 Fig. 3의 과정으로 형상적응형 냉각채널을 구현하였다. 양산적용 후 내부구조 확인 및 부식여부 평가를 위하여 Fig.
선행연구결과를 바탕으로 형상적응형 냉각채널코어를 제작하였다. 먼저 기계가공이 가능한 수직 냉각채널을 기계가공으로 가공을 한 후 냉각채널을 구성하는 상부를 Coupon으로 제작하여 조립하고 그 위를 DMT기술을 활용하여 적층을 한 후 최종가공하는 과정으로 제작하였으며, 그 과정은 Fig.

대상 데이터

대상금형은 단순형상의 플라스틱 컵을 제조하는 사출금형으로 강성을 유지하기 위해 오목한 바닥부를 가지고 있다. 기존의 배플(Baffle) 냉각방식은 컵의 측벽과 바닥부 사이의 공간에 냉각수를 공급하기 어렵기 때문에 많은 냉각시간이 요구된다.

성능/효과

2. 하이브리드 조형방식을 통하여 효율적인 적층금형 제작이 가능하다.
3. 형상적응형 냉각채널이 적용된 금형의 경우 선행해석,시사출 모두 기존 냉각방식에 비해 우수한 냉각성능을 보였다.
사출성형해석을 통하여 제안된 형상적응형 냉각채널의 성능을 검증하였으며 약 63% 정도의 냉각성능 향상이 예상되었다. 특히 바닥부의 온도균일성이 크게 개선됨을 확인하였다.
시사출 결과 냉각시간은 배플냉각을 사용한 금형에서 16초, 형상적응형 냉각채널을 적용한 금형에서 10초가 소요되어 냉각성능이 약 35% 개선되었다.
실제 사출결과 냉각시간은 32초에서 19초로 총 사이클타임은 56초에서 39초로 줄어 냉각시간은 40%, 그리고 사이클타임은 30%향상되는 결과를 보였다.
사출성형해석을 통하여 제안된 형상적응형 냉각채널의 성능을 검증하였으며 약 63% 정도의 냉각성능 향상이 예상되었다. 특히 바닥부의 온도균일성이 크게 개선됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적층제조는 무엇인가?	적층제조(Additive Manufacturing or 3D Printing)는 절삭가공 등과 같이 모재의 불필요한 부분을 깎아서 제조하는 전통적인 가공방식과 달리 컴퓨터에 저장되어 있는 3차원 형상 모델의 기하학적 자료로부터 정보를 받아 2차원의 단면을 한 층씩 쌓아 대상물을 신속하게 조형하는 기술로 정의할 수 있다.
	적층가공법은 ASTM International Committee F42 에서 적층소재, 적층방식에 따라 어떻게 분류하였는가?	적층가공법은 ASTM International Committee F42 에서 적층소재, 적층방식에 따라 1) Material extrusion, 2) Material jetting, 3) Binder jetting, 4)Sheet lamination, 5) Vat photopolymerization, 6) Powder bed fusion(PBF), 7) Direct energy deposition(DED) 으로 분류하였다.[1] 하지만 상기 7가지 방식에서 벗어나 다양한 형태의 새로운 3D프린팅 기술개발도 활발히 진행되고 있다.
	DMT기술을 이용한 형상적응형 냉각채널의 제작응용사례를 소개하여 얻은 결론은 무엇인가?	1. DMT 적층 계면부는 결함이 없으며, 모재보다 우수한 기계적 물성을 가지기 때문에 금형으로의 응용이 가능하다. 2. 하이브리드 조형방식을 통하여 효율적인 적층금형 제작이 가능하다. 3. 형상적응형 냉각채널이 적용된 금형의 경우 선행해석,시사출 모두 기존 냉각방식에 비해 우수한 냉각성능을 보였다.

참고문헌 (8)

Wohlers Associates: Wohlers Report 2015 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry, Wohlers Associates. Inc. 2015, 28-39.
Ko. H. J., Kim, H. C, Yoon, H. R., and Lee, I. H, "Prototyping for MID Cruise Control Switch," Proceeding of the KSMPE Spring Conference, pp.108, 2013.
Woo, S. G, Lee, I. H, Kim, H. C., Lee, K. C., and Cho, H. Y, "Development of a Photopolymer-based Flexible Tactile Sensor using Layered Fabrication and Direct Writing," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.13 No.2, pp.8-14, 2014.
Dalgano, K.W. and Stewart, T.D.: Manufacturing of production injection mould tooling incorporating conformal cooling channels via indirect selective laser sintering, Proceedings of the institution of Mechanical Engineers Part B, Journal of Engineering Manufacture, Vol. 215 (2001), 1323-1332.

상세보기
Knights, M.: Rapid tooling is easy for prime time, Feature Article in Plastic Technology, March 2005.
Kim, J.D., Hong, S.K., Lee, K.H., Kim, M.A., Lee, D.K.: Implementation of 3-Dimensional Cooling Channel in Injection Mold Using RT Technology, Proceeding of Autumn Symposium of Korean Society for Precision Engineering, 2006, 199-200.
Seo, J.H., Lee, C.W., Woo, S.S., Kim, J.S., Kim, D.J., Kwak, D.W., and Oh, E.T.: Application of DMT Technology for High-Performance Multi-Material Metal Part Fabrication, A Research paper (govp1200513978), 2005, Ministry of Science and Technology.
http://www.insstek.com/tech/index.htm

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