[논문]Powder Bed Fusion 시스템의 개발 및 소결 공정 특성에 관한 연구

안영진; 배성우; 김동수; 김재열

doi:10.7736/kspe.2015.32.9.773

Abstract ▼ AI-Helper

The laser Powder Bed Fusion (PBF) system is currently recognized as a leading process. Due to the various materials employed such as thermoplastic, metal and ceramic composite powder, the application's use extends to machinery, automobiles, and medical devices. The PBF system's surface quality of pr...

The laser Powder Bed Fusion (PBF) system is currently recognized as a leading process. Due to the various materials employed such as thermoplastic, metal and ceramic composite powder, the application's use extends to machinery, automobiles, and medical devices. The PBF system's surface quality of prototypes and processing time are significantly affected by several parameters such as laser power, laser beam size, heat temperature and laminate thickness. In order to develop a more elaborate and rapid system, this study developed a new PBF system and sintering process. It contains a 3-axis dynamic focusing scanner system that maintains a uniform laser beam size throughout the system unlike the $f{\theta}$ lens. In this study, experiments were performed to evaluate the effects of various laser scanning parameters and fabricating parameters on the fusion process, in addition to fabricating various 3D objects using a PA-12 starting material.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구에서는 Powder Bed Fusion 공정에서 형상 정밀도를 높이기 위해 3축 다이나믹 포커싱 스캐너를 적용한 시스템을 개발하고, PA-12 분말을 출발원료로 선정하여 최적의 소결공정을 위한 다양한 제어 요소기술에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 분말소결 공정에서 3차원 형상의 정밀도를 높이기 위해 3축 다이나믹 포커싱 스캐너(3-axis dynamic focusing scanner)를 적용한 시스템을 개발하고, 폴리머 분말 적층을 위한 스테이지 위치제어 및 적층 롤러의 속도제어, 출발원료의 소결을 위한 온도 및 질소 분위기 제어, 레이저의 궤적 생성 및 제어 등을 위한 다양한 제어 요소기술에 대해 연구하였다.

제안 방법

(1) 본 연구에서는 Powder Bed Fusion 시스템을 개발하고, 소결 공정에서 형상 정밀도를 높이기 위해 3축 다이나믹 포커싱 스캐너를 적용하여, 레이저 빔의 사이즈를 소결평면의 모든 위치에서 500 ㎛으로 정밀하게 제어 하였다.
)를 적용하였다. Powder Bed Fusion공정에서 레이저 빔(Laser beam)의 크기는 소결 정밀도에 밀접한 관계를 가지고 있으므로, 본 연구에서는 레이저 빔을 주사할 때 발생하는 레이저 빔의 찌그러짐 현상을 방지하기 위해 렌즈의 초점 거리를 가변할 수 있는 3축 다이나믹 포커싱 스캐너(Power scan 33, SCANLAB Inc.,)를 적용하였다.
또한 PA-12 분말(Polyamide-12 powder)을 출발원료로 선정하여 소결온도, 적층높이, 레이저 파워, 주사 속도(Scan speed), 주사 간격(Scan space) 등 다양한 소결변수 실험과 제작 시간 단축 등 소결 성능 향상을 위한 실험을 수행하여 최적 공정 조건을 도출하고, 소결 시편의 밀도, 미세구조관찰, 화학적 특성 및 열 특성 등을 고찰하였다.
또한 치수정밀도 향상을 위한 레이저 주사 알고리즘을 제안하고, CO₂ 레이저 소결에 따른 특성을 고찰하였다.
일반적으로 소결품의 치밀화(Densification) 정도는 제품의 강도, 경도 등 물리적인 특성과 밀접한 관계를 가지고 있으며, 본 연구에서 제작한 PA-12 소결 시편의 소결 밀도 측정을 위해 시편을 8시간 동안 데시케이터(Desiccator)에서 완전 건조한 후 헬륨가스(He gas)를 사용하는 가스밀도측정기(Gas pycnometer, Ultrapycnometer 1200e, Quantachrome Co., Ltd.)를 이용하여 소결 밀도를 측정하였다. 소결 시편의 밀도는 1.

대상 데이터

본 연구에 사용된 CO₂ 레이저 빔의 직경(I/e²)은 1800 ±200 ㎛로, 식(1)에 따라 레이저 빔의 크기(Spot size)를 구하여 약 500 ㎛의 스팟 크기를 갖도록 장치를 구성하였다.
본 연구에서는 우수한 성형성과 물성을 가지고 있어 레이저 소결용 분말로 많이 사용되고 있는 PA-12를 출발원료로 선정하였다.

이론/모형

이때, 레이저 주사간격(Scan space), 주사속도(Scan speed), 레이저 파워, 레이저 초점 제어 등은 최종 가공품의 치수 정밀도에 밀접한 관계를 가지는 변수로 작용하게 된다. 또한 불필요한 점프요소를 제거하여 소결 속도를 향상시키기 위해 영역분할 방법을 적용하였다.^2,5
본 연구에서는 빌드 스테이지와 피드 스테이지의 위치 제어, 롤러의 수평 이송 속도 및 회전 속도 제어를 위해서 8축의 다중속도제어기(MMC: Multi Motion Controller) 보드를 적용하고 PID 제어기법을 사용하였다. 빌드 스테이지와 피드 스테이지의 수직 방향 이송 메커니즘은 Fig.
이러한 미소결 분말은 소결체 표면에 용착되어 표면조도에 영향을 미치게 된다. 소결표면 관찰을 위해 FE-SEM (JSM-7100F, JEOL Co., Ltd.)을 이용하여 소결 시편의 표면을 관찰하였다. Fig.

성능/효과

(2) 출발원료로 선정한 PA-12 분말의 화학적 및 열적 특성을 분석하고 소결 변수 실험을 통해 온도 165℃, 레이저 파워 16Watts, 주사속도 6m/s, 주사간격 400㎛의 최적 소결 공정 조건을 도출하였으며, 미세구조 관찰을 통해 소결 시편의 표면 특성과 소결 특성을 규명하였고, 표면에 용착된 PA-12 미세 분말과 표면조도와의 상관관계를 분석하였다.

참고문헌 (6)

Wholers, T. T., "Wohlers Report 2013," Wohlers Associates, 2013.
Choi, K. H., Kim, H. C., Doh, Y. H., and Kim, D. S., "Novel Scan Path Generation Method Based on Area Division for SFFS," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 23, No. 4, pp. 1102-1111, 2009.

원문보기 상세보기
James, C. N., "Selective Laser Sintering: A Definition of the Process and an Empirical Sintering Model," Ph.D. Thesis, The University of Texas at Austin, 1993.
Kim, D. S., Ahn, Y. J., Lee, W. H., Bae, S. W., and Choi, K. H., "A Study of the Solid Freeform Fabrication (SFF) System with Dual Laser System," JSME International Journal Series C, Vol. 49, No. 4, pp. 1215-1222, 2006.

상세보기
Choi, K. H., Choi, J. W., Doh, Y. H., Kim, D. S., and Lee, S. H., "Generation of Scan Path for the Enhancement of Fabrication Efficiency in SFFS," Proc. of Korean Society of Mechanical Engineers Spring Conference, pp. 623-627, 2006.
Bae, S. W., Kim, D. S., Choi, K. H., and Yoo, S. Y., "An Experimental Study on Mechanical Characteristics along a Laser Scam Path in the SLS Process," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 26, No. 8, pp. 29-34, 2009.

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

[국내논문] Powder Bed Fusion 시스템의 개발 및 소결 공정 특성에 관한 연구
Study on the Development and Sintering Process Characteristics of Powder Bed Fusion System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] Powder Bed Fusion 시스템의 개발 및 소결 공정 특성에 관한 연구 Study on the Development and Sintering Process Characteristics of Powder Bed Fusion System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김동수 (13) 김재열 (109)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] Powder Bed Fusion 시스템의 개발 및 소결 공정 특성에 관한 연구
Study on the Development and Sintering Process Characteristics of Powder Bed Fusion System 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper