[논문]트랙터 트랜스미션용 후진 아이들 기어의 3D 프린팅 특성

김해지

doi:10.14775/ksmpe.2017.16.4.001

트랙터 트랜스미션용 후진 아이들 기어의 3D 프린팅 특성
3D Printing Characteristics of Reverse Idle Gears for Tractor Transmissions 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.16 no.4, 2017년, pp.1 - 8

Abstract ▼ AI-Helper

This paper concerns the possibility of 3D printing reverse idle gears for tractor transmission. For the purposes of this experiment, idle gears were manufactured using a SLA 3D printer, FDM 3D printer, and through machining. The accuracy of the idle gears produced in these three different ways were evaluated by the properties of their outer diameter, inner diameter, roundness, concentricity, parallelism, span, backlash, and gear grade. The tooth characteristics of the idle gears were evaluated by their profile, lead, and the pitch of the gears. The results of this experiment determined that the surface conditions created by the finishing process had a significant impact on the dimensional accuracy of the gears and the characteristics of their teeth.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 3D 프린팅 응용 연구로써 SLA 방식의 3D 프린터, FDM 방식의 3D 프린터로 제작된 아이들 기어 및 SCM420 소재로 기계 가공된 아이들 기어를 비교하여 3D 프린팅 특성을 분석하고자 하였다.
각각의 방식으로 제작된 아이들 기어의 정밀도는 외경, 내경, 진원도, 동심도, 평행도, 걸치기, 백래쉬, 기어 등급 등으로 평가하였다. 아이들 기어의 치형 특성은 기어의 프로파일, 리드, 피치 등을 측정하여 평가하고자 하였다.

제안 방법

SLA 방식의 3D 프린터와 비교하여 FDM 방식의 3D 프린터에서는 고체 필라멘트를 일정 온도에서 용해 시켜 적층하는 방식으로써 21.5℃ 온도로 설정하여 3D 프린팅을 진행하였다.
본 논문에서는 3D 프린팅 응용 연구로써 SLA 방식의 3D 프린터, FDM 방식의 3D 프린터로 제작된 아이들 기어 및 SCM420 소재로 기계 가공된 아이들 기어를 비교하여 3D 프린팅 특성을 분석하고자 하였다. 각각의 방식으로 제작된 아이들 기어의 정밀도는 외경, 내경, 진원도, 동심도, 평행도, 걸치기, 백래쉬, 기어 등급 등으로 평가하였다. 아이들 기어의 치형 특성은 기어의 프로파일, 리드, 피치 등을 측정하여 평가하고자 하였다.
그리고 기어를 좌·우로 최대한 회전시켰을 때의 다이얼게이지 값을 백래쉬 값으로 측정하였다.
기계 가공된 기어, SLA 3D 프린터 및 FDM 3D 프린터로 제작된 기어에 대하여 OSAKA SEIMITSU 치형측정기를 사용하여 기어의 프로파일(Profile), 리드(Lead), 피치(Pitch) 등을 측정하였다.
본 논문에서는 트랙터용 후진 아이들 기어를 대상으로 하여 SCM420 소재로 기계 가공된 스퍼기어, SLA 방식의 프린터와 FDM 방식의 3D 프린터로 제작된 스퍼기어에 대하여 스퍼기어의 정밀도와 치형 특성을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
스퍼기어의 치수 정밀도와 치형 특성에서는 기계 가공된 스퍼기어가 설계 기준에 적합하였으며, 두 가지 방식으로 3D 프린팅된 스퍼기어의 정밀도와 치형은 설계 기준에 적합하지 않았다. 3D 프린팅된 스퍼기어의 설계 기준에 적합하지 않은 것은 후처리 공정에 따른 표면의 상태가 치수 정밀도와 치형 특성에 큰 영향이 있음을 확인하였다.
아이들 기어의 정밀도 평가를 위하여 소재 SCM420로 기계 가공된 스퍼기어, SLA 방식으로 제작된 기어 및 FDM 방식으로 제작된 기어 A와 B에 대하여 외경, 내경, 진원도, 동심도, 평행도, 걸치기, 백래쉬, 기어 등급 등을 측정하였다.
제작된 스퍼기어의 정밀 측정을 위해 사의 ZEISS VAST-XT 3차원측정기를 사용하였으며 스퍼기어의 외경, 내경, 진원도, 동심도, 평행도 등을 측정하였다.

대상 데이터

2(a)에서는 SLA 방식의 Objet24 3D프린터(Stratasys)의 사진을 나타내고 있고, 3D 프린팅 시에 액상타입의 흰색 Verowhite 빌드와 서포트로 재료로 형상이 출력되게 구성되어있다. Objet24 3D 프린터의 레이어 두께는 0.028mm로 적층되며, 후진 아이들 기어 제작에서도 동일한 레이어 두께를 설정하였다. Fig.

성능/효과

(a)의 SCM420 소재로 기계 가공된 기어의 리드 편차 그래프에서 상부에서 바닥면의 편차가 없으며, 일정한 방향성을 가졌고 BIAS 또한 큰 차이를 보이지 않았다.
Fig. 13(b) SLA 의 방식으로 제작된 기어의 리드 그래프에서는 Fr 값이 203.9㎛으로 JIS 8급에 해당되며, 그래프의 1~3번, 23~25번을 제외하면 비교적 높은 에러 값을 갖는다. Fig.
Fig. 11(b) SLA 의 방식으로 제작된 기어의 프로파일 그래프에서는 외경부에서 치저부 방향으로 이동하여 기어의 치저부 쪽으로 갈수록 이두께가 커지며, 방향성은 일정한 편이나 좌측의 BIAS가 67.1㎛이며 우측 BIAS의 101.9㎛으로 기어의 좌보다 우형상의 차이가 큰 것을 알 수 있었다. Fig.
Fig. 12(b)의 SLA 방식으로 제작된 기어의 리드 그래프에서는 바닥면으로 갈수록 기울어짐을 볼 수 있으며, 방향성은 일정하게 나타났다. 표면거칠기가 불균일하여 아래와 같은 그래프가 나타난 것으로 판단된다.
Fig. 9(b)의 SLA 방식으로 제작된 기어의 리드 그래프에서는 바닥면으로 접근할수록 기울어 짐을 확인할 수 있었고, 리드 그래프의 방향성은 일정하게 나타났다. 그러나 표면거칠기가 불균일하여 리드 그래프가 정상적인 형상으로 측정되지 않았음을 확인할 수 있었다.
Fig. 8(b)의 SLA 방식으로 제작된 기어의 프로파일 그래프는 외경부에서 치저부 방향으로 이동하여 기어의 치저부 쪽으로 갈수록 이두께가 커지며 , 방향성은 일정하게 보여주고 있다. Fig.
Fig. 12(c)의 FDM 방식으로 제작된 기어의 리드 그래프에서는 형체를 알아볼 수 없을 만큼 표면거칠가 나쁘고 리드의 방향성이 일정하지 않은 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 9(c)의 FDM 방식으로 제작된 기어의 리드 그래프에서는 형체를 알아볼 수 없을 만큼 표면거칠기가 거칠고 그 방향성 또한 일정치 않은 것을 확인할 수 있었다.
(c)의 FDM 방식으로 제작된 기어의 프로파일 그래프에서는 프로파일의 방향성이 없으며, BIAS 또한 좌, 우가 심한 편임을 알 수 있었다.
Fig. 13(c)의 FDM 방식으로 제작된 기어의 피치 그래프에서는 Fr 값이 531.3㎛으로 규정에서 측정불가에 해당되며, 전체적으로 피치 애러값이 크고 기어의 정밀도가 매우 낮음을 확인할 수 있었다.
SLA 방식의 3D 프린터가 FDM 방식의 3D 프린터보다 재료의 소모량과 제작시간이 더 소요되는 것을 확인할 수 있었으며, 그 이유는 SLA 방식의 3D 프린터의 적층 두께가 영향을 미친 것으로 판단된다.
아래 결과에서 보는 바와 같이 SCM420 소재로 기계 가공된 스퍼기어 A와 B는 설계 기준의 치수에 만족하는 치수 결과로 나타났으며, SLA 방식과 FDM 방식으로 제작된 스퍼기어 A와 B는 설계 기준의 치수에 만족하지 못하는 결과를 나타내었다.
아이들 기어의 치형 특성 평가에서는 기계 가공된 기어 A와 B는 JIS 3급과 4급으로 정밀도가 평가되었으며, SLA 3D 프린터로 제작된 기어 A와 B는 JIS 6급과 8급으로 정밀도가 평가되었다. 그리고 FDM 3D 프린터로 제작된 기어 A와 B는 JIS 8급 이상으로 정밀도가 평가되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아이들 기어란 무엇인가	트랙터용 후진 아이들 기어(idle gear)는 트랙터의 변속기에 장착되며 2개의 메인 기어사이에 설치되어 트랙터의 후진 시에 위치 조정과 회전 방향을 변환하기 위해 사용되는 기어이다. Fig.
	3D 프린팅은 어떠한 방식이 있는가	3D 프린팅은 FDM(Fused Deposition Modeling), SLA(Stereo Lithography Apparaus), SLS(Selective Laser Sintering) 등으로 방식이 나누어져 있고, 적용 분야에 따라 프린팅 방식을 달리하여 산업에 적용되고 있다. 최근 국내외적으로 프린팅 기술을 접목한 다양한 3D 응용 연구들이 진행되고 있다.
	본 논문에서 3D 프린터로 제작된 아이들 의 정밀도는 어떠한 것으로 평가되었는가	본 논문에서는 3D 프린팅 응용 연구로써 SLA 방식의 3D 프린터, FDM 방식의 3D 프린터로 제작된 아이들 기어 및 SCM420 소재로 기계 가공된 아이들 기어를 비교하여 3D 프린팅 특성을 분석하고자 하였다. 각각의 방식으로 제작된 아이들 기어의 정밀도는 외경, 내경, 진원도, 동심도, 평행도, 걸치기, 백래쉬, 기어 등급 등으로 평가하였다. 아이들 기어의 치형 특성은 기어의 프로파일, 리드, 피치 등을 측정하여 평가하고자 하였다.

참고문헌 (9)

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Kim, D. B., Lee, G. T., Lee, I. H. and Cho, H. Y., "Finite Element Analysis for Fracture Criterion of PolyJet Materials," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 4, pp. 134-139, 2015.
Kim, H. J., "Experimental Study on Production Characteristics of Straight Bevel Gear using a Polyjet Method 3D Printer," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 6, pp. 63-68, 2015.

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].

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