3D 프린팅 적용 철도차량용 공기압축기의 열교환기 설계 및 제작 기술 연구 Design and Manufacturing Technology of Heat Exchanger in Air Compressor for Railroad Vehicle by 3D Printing Process원문보기
3D 프린팅 제조 기술은 폴리머 및 금속 소재를 구조물 형상으로 적층하여 제품을 제작하는 성형기술로서, 설계 자유도가 높고 기능성을 요구하는 부품 제작에 유리하다. 또한 다품종 소량 생산 특성으로, 향후 철도 차량 부품 제작에 적합한 기술이다. 3D 프린팅 기술의 장점을 충분히 활용하기 위해서는 제품 설계시 공정 특성 고려가 필수이다. 이번 연구에서는 철도차량용 공기압축기의 열교환기를 대상으로, 3D 프린팅 기법 적용을 통한 제작을 위해, 성능과 공정조건을 고려한 제품의 재설계 및 제작 기술을 연구하였다. 먼저 열교환기의 성능을 높이기 위한 설계 컨셉을 정의하고 기존 열교환기의 시험을 통해 성능 분석 후, 이를 만족하기 위한 컨셉 설계 범위를 지정하였다. 또한 금속 3D 프린팅의 제작 한계 및 제작 시간, 특성 등을 고려하여, 상세 설계에 관한 수정을 진행하였다. 도출된 최종 설계안을 토대로, 알루미늄 소재를 사용하여 3D 프린팅 공정을 통해 제품을 제작하고 치수 정밀도를 만족함을 확인하였다. 최종 중량은 기존 제품 대비 41%의 중량 절감 효과를 보였다. 본 연구를 통해, 3D 프린팅 기술 활용을 위한 제품 설계 과정을 정립함으로써, 향후 3D 프린팅 기술 적용시 효율적인 설계가 가능할 것이다.
3D 프린팅 제조 기술은 폴리머 및 금속 소재를 구조물 형상으로 적층하여 제품을 제작하는 성형기술로서, 설계 자유도가 높고 기능성을 요구하는 부품 제작에 유리하다. 또한 다품종 소량 생산 특성으로, 향후 철도 차량 부품 제작에 적합한 기술이다. 3D 프린팅 기술의 장점을 충분히 활용하기 위해서는 제품 설계시 공정 특성 고려가 필수이다. 이번 연구에서는 철도차량용 공기압축기의 열교환기를 대상으로, 3D 프린팅 기법 적용을 통한 제작을 위해, 성능과 공정조건을 고려한 제품의 재설계 및 제작 기술을 연구하였다. 먼저 열교환기의 성능을 높이기 위한 설계 컨셉을 정의하고 기존 열교환기의 시험을 통해 성능 분석 후, 이를 만족하기 위한 컨셉 설계 범위를 지정하였다. 또한 금속 3D 프린팅의 제작 한계 및 제작 시간, 특성 등을 고려하여, 상세 설계에 관한 수정을 진행하였다. 도출된 최종 설계안을 토대로, 알루미늄 소재를 사용하여 3D 프린팅 공정을 통해 제품을 제작하고 치수 정밀도를 만족함을 확인하였다. 최종 중량은 기존 제품 대비 41%의 중량 절감 효과를 보였다. 본 연구를 통해, 3D 프린팅 기술 활용을 위한 제품 설계 과정을 정립함으로써, 향후 3D 프린팅 기술 적용시 효율적인 설계가 가능할 것이다.
3D printing technology is a manufacturing process for products, in which polymer and metal materials are laminated to form structures. It is advantageous for manufacturing parts requiring a high degree of design freedom and functionality. In addition, it would be a suitable technology for the produc...
3D printing technology is a manufacturing process for products, in which polymer and metal materials are laminated to form structures. It is advantageous for manufacturing parts requiring a high degree of design freedom and functionality. In addition, it would be a suitable technology for the production of parts for railway vehicles in the future, due to the need to produce parts in small quantities. In order to fully exploit the advantages of 3D printing technology, it is necessary to consider the process characteristics during the design of the product. In this study, the redesign and manufacturing technology of the product considering the performance and process conditions were studied for the heat exchanger in the air compressor of railway vehicles, as a trial application of the 3D printing technique. First of all, the design concept to improve the performance of the heat exchanger was defined, and the design range was specified to satisfy the performance of the present heat exchanger analyzed experimentally. Then, the detailed design was revised considering the characteristics of the metal 3D printing process, such as the manufacturing restrictions and production time. Based on the final design, the product was fabricated by the 3D printing process using aluminum material, and it was confirmed that the dimensional accuracy was satisfied. The weight of the final product was reduced by 41% compared with the existing products. The results of this study will make it possible to develop an efficient product design process for 3D printing technology.
3D printing technology is a manufacturing process for products, in which polymer and metal materials are laminated to form structures. It is advantageous for manufacturing parts requiring a high degree of design freedom and functionality. In addition, it would be a suitable technology for the production of parts for railway vehicles in the future, due to the need to produce parts in small quantities. In order to fully exploit the advantages of 3D printing technology, it is necessary to consider the process characteristics during the design of the product. In this study, the redesign and manufacturing technology of the product considering the performance and process conditions were studied for the heat exchanger in the air compressor of railway vehicles, as a trial application of the 3D printing technique. First of all, the design concept to improve the performance of the heat exchanger was defined, and the design range was specified to satisfy the performance of the present heat exchanger analyzed experimentally. Then, the detailed design was revised considering the characteristics of the metal 3D printing process, such as the manufacturing restrictions and production time. Based on the final design, the product was fabricated by the 3D printing process using aluminum material, and it was confirmed that the dimensional accuracy was satisfied. The weight of the final product was reduced by 41% compared with the existing products. The results of this study will make it possible to develop an efficient product design process for 3D printing technology.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 철도 차량 부품 중 열교환기를 대상으로, 부품 성능 향상과 경량화를 목표로, 금속 3D 프린팅 기법의 제작 특성을 고려한 최적 설계를 진행하였다. 이러한 과정에 있어, 제품 컨셉 설계안을 정의함과 동시에, 3D 프린팅으로 제작시 제작시간과 써포트 설치를 최소화 할 수 있도록 공정 조건을 고려한 설계안의 수정을 진행했으며, 실제 제품을 제작하여, 설계안의 타당성을 검증하였다.
본 연구에서는 철도 차량용 공기압축기의 열교환기를 대상으로 열교환 효율 향상과 중량 절감을 목표로, 금속 3D 프린팅 기법의 특성을 고려하여 제품 설계 및 3D 프린팅 기법으로 제품을 제작을 하였다. 3D 프린팅 기법의 장점을 활용하면서 효율 향상을 위한 설계 및 제작 과정을 다음과 같이 정리할 수 있다.
열교환기 재설계는 압축공기와 외부 냉각공기와의 열 교환 효율을 최대한 높여 제품 크기를 축소하고, 동시에 경량화를 구현하여, 시스템을 컴팩트화 하는데 그 목적을 둔다. 열교환 효율은 열전달 계수와 비례관계에 있다.
열교환 효율은 열전달 계수와 비례관계에 있다. 현재 적용되고 있는 열교환기 타입은 평면형 핀과 사각튜브 형상 조합의 핀-튜브 타입인데, 본 연구에서는, 열 전달 계수를 향상하는 방법으로 튜브 내의 유동 특성을 열전달 효과가 높은 강제 대류 효과를 갖도록 조절하는 방안과, 동시에 열교환기와 외부 유동과의 접촉 면적을 넓히는 방안으로 접근하고자 한다. Olsson[11]은 튜브 내의 유동에서 다양한 형상 특성의 터뷸레이터 (turbulator)에 관한 열전달 효과를 연구하였다.
가설 설정
열교환기 재설계는 압축공기와 외부 냉각공기와의 열 교환 효율을 최대한 높여 제품 크기를 축소하고, 동시에 경량화를 구현하여, 시스템을 컴팩트화 하는데 그 목적을 둔다. 열교환 효율은 열전달 계수와 비례관계에 있다. 현재 적용되고 있는 열교환기 타입은 평면형 핀과 사각튜브 형상 조합의 핀-튜브 타입인데, 본 연구에서는, 열 전달 계수를 향상하는 방법으로 튜브 내의 유동 특성을 열전달 효과가 높은 강제 대류 효과를 갖도록 조절하는 방안과, 동시에 열교환기와 외부 유동과의 접촉 면적을 넓히는 방안으로 접근하고자 한다.
제안 방법
제품의 주요 부위(튜브 윗 평면부, 열교환기 체결부 측면부 등)에 관한 치수 정밀도를 3D 스캔(Mitutoyo CRYSTA-APEX EX 1200R, 측정 최소 단위 0.0001mm)을 활용하여 분석하였으며 제품 중량을 측정하였다(CAS PB series, 측정 최소 단위 5g).
대상 데이터
소재는 EOS社의 알루미늄 (AlSi10Mg) 파우더를 사용하였다. 제작을 위한 공정 조건은 Table 1과 같다.
앞 절에서 정의한 열교환기의 상세 설계를 기반으로, EOS社의 금속 3D 프린터인 M290을 활용하여 제품을 제작하였다.
앞서 언급한 바와 같이 3D 프린팅 제작 특성으로부터 Fin 의 두께는 1mm로 지정하였으며, ∊ -NTU 기법을 활용하여 핀간의 간격은 3mm, 높이는 14mm로 선정하였다. 핀-튜브 배열 및 크기로부터 기존 제품의 열전달 효과(입구온도 208℃, 출구 온도 53℃)와 근접한 결과를 보이는 핀-튜브 전체 영역은 열전달 수치 해석을 기반으로 한 계산 결과로부터 얻어진 160×180×90(mm)로서 3D 프린팅의 안정적인 제작 범위에 위치한다.
이번 연구의 개발 대상은 철도차량에 쓰이는 공기압축기에서 발생한 고온 압축공기를 냉각하기 위한 열교환기이다. 공기압축기는 철도차량의 공기 제동 및 공압식 출입문의 동력으로 쓰이는 등 중요한 역할을 수행한다.
이론/모형
기존 방식으로 제조되는 열교환기는 핀-튜브를 브레이징 공법으로 접합 및 용접방식을 적용한다. 공기 압축기에 부착된 후, 압축을 위한 모터의 회전운동으로 지속적인 진동환경에 놓이게 되며, 고압의 내부 환경 때문에, 운영 중에 본체에서 균열이 발생하여 압축공기의 누설이 발생하는 등의 문제가 있다.
성능/효과
2) 금속 3D 프린팅 기법을 제작에 적용하기 위해, 프린팅기의 제작 사이즈로부터 제품 설계 한계치를 정의하였고, 적층 특성을 고려한 상세 설계를 실시하여 관내 써포트 설치의 필요성을 제거할 수 있었다.
4) 3D 스캐닝 방식으로 확인한 완성품의 치수 정밀도는 부분별로 –0.21~0.24mm의 범위임을 확인하였고, 최종 제품의 중량은 3.8kg으로 기존 제품 대비 41%의 중량 절감 효과를 확인하였다.
그 결과 최종 제품의 중량은 약 3.8 kg으로 기존 열교환기 6.5kg 대비 약 41%의 중량 절감 효과를 가진다.
9 (c)에서 보는 바와 같이 튜브 배열 면이 적층면과 평행에 가까울 경우 튜브 끝단의 설계 처리에 따라 내부 써포트 삽입이 생략될 수 있다. 따라서 본 설계에서는 튜브 면에서 접선의 각도가 45도 이하인 구간을 최소화 하여 써포트 제작을 억제할 수 있었다. 이 경우, 튜브 내부 벽면에 설치되는 터뷸레이터의 제작 또한 별도의 지지대 없이 가능하다.
후속연구
이와 같이 3D 프린팅 기법을 활용하여 제품을 제작시에는 프린팅 특성과 제품의 성능 특성 모두를 고려한 설계 방안 수립이 3D 프린팅의 장점을 최대한 활용할 수 있다. 이번 연구에서 열교환기 제작을 위해 접근한 설계 절차는, 향후 타부품을 3D 프린팅 기법으로 제작시 제작 공정과 부품 성능을 동시에 고려할 수 있는 최적설계 가이드로 활용이 가능할 것이다. 향후 연구로는, 3D 프린팅 제작 제품 대상으로 열교환 성능시험을 진행할 예정이다.
이번 연구에서 열교환기 제작을 위해 접근한 설계 절차는, 향후 타부품을 3D 프린팅 기법으로 제작시 제작 공정과 부품 성능을 동시에 고려할 수 있는 최적설계 가이드로 활용이 가능할 것이다. 향후 연구로는, 3D 프린팅 제작 제품 대상으로 열교환 성능시험을 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3D 프린팅 제조 기술의 장점은 무엇인가?
3D 프린팅 제조 기술은 폴리머 및 금속 소재를 구조물 형상으로 적층하여 제품을 제작하는 성형기술로서, 설계 자유도가 높고 기능성을 요구하는 부품 제작에 유리하다. 또한 다품종 소량 생산 특성으로, 향후 철도 차량 부품 제작에 적합한 기술이다.
3D 프린팅 기술 원리는 무엇인가?
3D 프린팅 기술(적층 제작 기술, Additive Manufacturing process)은 개발 초기엔 주로 제품 모형 제작 등에 적용되었으나, 현재는 기술발전에 의해 실제 제품 제작에 쓰이는 등 그 활용범위가 확대되고 있다. 3D 프린팅 기술 원리는 기본적으로 제작하고자 하는 구조물의 형태를 따라 폴리머 또는 금속 등 적용 소재의 반복된 적층 공정과 경화 또는 소결 공정 등을 통해 제작을 완료하게 된다. 3D 프린팅 기술의 장점은 제품 제작시 기존 제작 방식에서 벗어나, 빠른 시간 안에 제품 형상을 구현할 수 있고, 기능성이 필요한 부품의 복합 형상을 복잡한 공정 없이 제작할 수 있으며, 제작시 필요한 공정 절차를 줄일 수 있는 잇점들이 있다.
3D 프린팅 기술의 한계점은 무엇인가?
하지만, 3D 프린팅 기술의 다양한 장점에도 불구하고, 현재 기술 수준으로 활용 범위에 있어 한계점도 분명하다. 폴리머 기반 소재는 엔지니어링 플라스틱 적용과 더불어 제작 기술에서 많은 발전이 있는 반면, 금속 소재 적용은 아직까지 제작 조건 선정에 제약이 많다. 따라서 금속 소재의 3D 프린팅 적용 제품 설계시 공정 조건 등을 고려하여 최적 설계를 진행해야 한다.
참고문헌 (12)
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