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전동볼밀의 복합재 제조공정에서 각종 실험조건에 따른 입자형상 변화 및 DEM 시뮬레이션을 통한 밀링 효율의 고찰 - 회전속도, 매체크기, 매체재질의 영향
Particle Morphology Behavior and Milling Efficiency by DEM Simulation during Milling Process for Composites Fabrication by Traditional Ball Mill on Various Experimental Conditions - Effect of Rotation Speed, Ball Size, and Ball Material 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.2, 2018년, pp.191 - 203  

보르 암갈란 (창원대학교 메카트로닉스 융합부품소재 연구센터) ,  바춘흘루 이치커 (창원대학교 메카트로닉스 융합부품소재 연구센터) ,  자갈사이항 바트체첵 (창원대학교 메카트로닉스 융합부품소재 연구센터) ,  이재현 (창원대학교 메카트로닉스 융합부품소재 연구센터) ,  최희규 (창원대학교 대학원 금속신소재공학과)

초록
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이 연구는 각각 크기와 재질이 다른 3 가지 종류의 분쇄 매체를 이용하여 회전속도와 밀링 시간의 따른 구리 (Cu) 분말의 형상변화의 과정에 미치는 영향을 관찰하고, 볼 움직임의 DEM시뮬레이션을 행하였다. 전동볼밀에서 볼 움직임의 3차원 시뮬레이션을 통해 분쇄 메커니즘을 규명하기 위하여 분쇄매체의 힘, 운동에너지, 매체 운동속도 등을 계산하였다. 시뮬레이션에서는 회전속도, 볼 재질, 운동속도, 마찰계수 등을 실제 실험조건과 동일하게 조건을 맞추어 투입되는 에너지의 변화량도 계산하였다. 주사전자현미경 결과를 살펴보면 볼 직경이 작을 때 입자형상이 불규칙한 형태에서 구형 형태로 변화하는 것을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study was investigated the effect of the morphology change of copper (Cu) powders under the different rotational speed and milling time by using three kinds of grinding media with different size and materials, and performed DEM simulations of ball behavior. In order to clarify the mechanism of ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이는 현장에서 각종 조작 조건에서 에너지 효율과도 깊은 관계가 있고, 제품의 생산단가에도 매우 큰 영향을 미치기 때문이다. 따라서 현실적으로 실험이 곤란한 매체의 운동해석을 위하여 DEM 소프트웨어를 이용하여 전동볼밀의 볼 운동을 해석하였고, 이를 통하여 각종 실험인자에 따른 볼 운동 패턴을 실험데이터와 비교하고자 하였다[21-24]. 이를 통해 종래 실험법으로 찾을 수 없었던 분쇄장치의 다양한 동역학적 해석을 하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 전동볼밀을 사용하여 구리/CNT 복합재를 제조하는 것을 목적으로 세 가지 종류의 분쇄매체를 사용하여, 매체 크기를 달리하면서 입자형상 변화를 관찰하였다. 또한 각각 매체의 종류별로의 복합재 제조 메커니즘을 규명하기 위하여, 매체의 운동을 3차원 DEM 시뮬레이션을 행하였고, 그 결과를 해석하여, 실험에서 정량적으로 찾아내기 어려운 분쇄매체가 작용하는 힘, 매체의 움직임 속도, 매체에 전달되는 에너지 분포를 정량적으로 나타내었다.
  • 또한 본 연구에서는 DEM 시뮬레이션을 통하여 전동볼밀 내의 볼 운동을 해석하고, 실제 촬영된 밀 내의 볼 움직임과 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 시뮬레이션을 통한, 볼 움직임속도, 볼 간의 충격에너지 등을 계산하여, 밀링 메카니즘에 관한 해석과 더불어 에너지 효율을 고찰하고자 하였다. 매체형 분쇄기의 분쇄기구 해명에서 가장 중요한 인자는 매체의 운동 해석이다.
  • 따라서 현실적으로 실험이 곤란한 매체의 운동해석을 위하여 DEM 소프트웨어를 이용하여 전동볼밀의 볼 운동을 해석하였고, 이를 통하여 각종 실험인자에 따른 볼 운동 패턴을 실험데이터와 비교하고자 하였다[21-24]. 이를 통해 종래 실험법으로 찾을 수 없었던 분쇄장치의 다양한 동역학적 해석을 하고자 하였다. 즉 밀링 공정이 단지 입자경을 작게 만드는 단위 조작뿐만 아니라 재료공정에 있어서 다양한 단위조작이 함께 이루어진다는 것을 배경으로 연구하였으며, 실험과 시뮬레이션을 통하여 이를 확인하고자 하였다.
  • 3은 회전속도 300 rpm, 볼 직경 1 mm을 사용했을 때 얻어진 실험 결과로 6시간 이후부터 완벽한 구형 형태를 얻었다. 이전 연구에서는 세 가지의 장비를 이용하여 건식 분쇄공정에서 입자형상 변화의 움직임을 살펴보기 위하여, 다양하게 실험 조건을 변화시키고, 특히 고회전 영역과 저회전 영역에서 입자형상 변화를 관찰하고자 하였다. 그리고 일반적으로 제품 제조공정에서 원료입자가 구형일 경우 제품을 압축할 때 밀착성 등 좋은 효과를 기대할 수 있기 때문에, 입자형상이 구형에 가깝게 된 실험조건에 주목하여 실험을 수행하였다.
  • 이를 통해 종래 실험법으로 찾을 수 없었던 분쇄장치의 다양한 동역학적 해석을 하고자 하였다. 즉 밀링 공정이 단지 입자경을 작게 만드는 단위 조작뿐만 아니라 재료공정에 있어서 다양한 단위조작이 함께 이루어진다는 것을 배경으로 연구하였으며, 실험과 시뮬레이션을 통하여 이를 확인하고자 하였다. 특히 향후 복합입자 제조공정에 밀링 공정을 통한 입자들의 크기 및 형상 변화를 관찰하는데 매체의 특성이 어떠한 영향을 미치는지에 초점을 맞추어, 궁극적으로 최종 제품의 기계적인 특성이 얼마만큼 향상되는지, 이에 따라 볼밀을 이용한 신 기능성 재료를 만드는데 있어, 볼의 재질에 따른 입자들의 분쇄거동이 어떻게 달라지는 가를 실험과 해석을 통하여 규명하고자 하였다.
  • 즉 밀링 공정이 단지 입자경을 작게 만드는 단위 조작뿐만 아니라 재료공정에 있어서 다양한 단위조작이 함께 이루어진다는 것을 배경으로 연구하였으며, 실험과 시뮬레이션을 통하여 이를 확인하고자 하였다. 특히 향후 복합입자 제조공정에 밀링 공정을 통한 입자들의 크기 및 형상 변화를 관찰하는데 매체의 특성이 어떠한 영향을 미치는지에 초점을 맞추어, 궁극적으로 최종 제품의 기계적인 특성이 얼마만큼 향상되는지, 이에 따라 볼밀을 이용한 신 기능성 재료를 만드는데 있어, 볼의 재질에 따른 입자들의 분쇄거동이 어떻게 달라지는 가를 실험과 해석을 통하여 규명하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
입자형상에는 어떤 형태가 있는가? 입자형상은 다양한 형태로 되어 있다. 예를 들면 바늘형, 다각형, 나뭇가지형, 편상, 입상, 불규칙형, 구형 등으로 존재한다[10,11]. 따라서 입자형상을 사용하여 제품 성능을 향상시킬 수 있는 분야에는 금속과 세라믹 소결 성분의 재료 강도, 정제와 현탁액의 약물 입자의 생체 이용률, 미네랄 계열 코팅의 마감 품질, 태양광 패널 제조를 위한 SiC 연마재의 절삭 성능 향상 등을 들 수 있다.
미립자 재료 공학에서 입자의 크기와 형상은 무엇에 영향을 미치는가? 최근 재료공학, 특히, 분체공학에서는 미립자계 재료의 고품질화, 고기능화의 요구로 원료조정 및 제조과정에 있어 각 입자의 크기와 형상을 특성화 하는 것이 재료개발의 성공여부를 좌우하는 중요한 요소가 되고 있으며, 많은 연구가 행해지고 있다[1-9]. 많은 연구자 들이 입자경과 입자형상의 변화를 미립자 재료를 다루는 공정에 있어서 매우 중요한 물성이라 지적하고 있으며 입자경은 반응성 또는 용해율, 현탁액의 안정성, 유동성 및 취급의 용이성, 충전 밀도 및 공극률에 영향을 미치는 것으로 알려지고 있다. 또한 분체 입자의 형상은 분체의 여러 가지 물성, 즉 유동성, 충전성, 부착성 등에 영향을 미치는데다가 유체 내에서의 움직임이나 빛과의 상호 작용이 달라져서 입도측정 결과에도 영향을 미치게 된다. 따라서 분체의 물성을 측정하는데 있어서도, 입도측정을 비롯한 각종 물성측정에 입자의 형상과 크기를 파악할 필요가 있다[5].
입자의 크기와 형상을 특성화가 중요한 이유는? 최근 재료공학, 특히, 분체공학에서는 미립자계 재료의 고품질화, 고기능화의 요구로 원료조정 및 제조과정에 있어 각 입자의 크기와 형상을 특성화 하는 것이 재료개발의 성공여부를 좌우하는 중요한 요소가 되고 있으며, 많은 연구가 행해지고 있다[1-9]. 많은 연구자 들이 입자경과 입자형상의 변화를 미립자 재료를 다루는 공정에 있어서 매우 중요한 물성이라 지적하고 있으며 입자경은 반응성 또는 용해율, 현탁액의 안정성, 유동성 및 취급의 용이성, 충전 밀도 및 공극률에 영향을 미치는 것으로 알려지고 있다.
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참고문헌 (26)

  1. Lee, G. G., Hashimoto, H. and Watanabe, R., "Development of Particle Morphology during Dry Ball Milling of Cu Powder," Mater. Trans., JIM., 36, 548-554(1995). 

  2. Chikosha, S., Shabalala, T. C. and Chikwanda, H. K.,"Effect of Particle Morphology and Size on Roll Compaction of Ti-Based Powders," Powder Technol., 264, 310-319(2014). 

  3. Pavlovic, M. G., Pavlovic, Lj. J., Maksimovic, V. M., Nikolic, N. D. and Popov, K. I., "Characterization and Morphology of Copper Powder Particles as a Function of Different Electrolytic Regimes," Int. J. ElectroChemical Sci., 5, 1862-1878(2010). 

  4. Mikli, V., Kaerdi, H., Kulu, P. and Besterci, M., "Characterization of Powder Particle Morphology," Proc. Estonian Acad. Sci. Eng., 7(1), 22-34(2001). 

  5. Choi, H., Lee, W., Kim D. U., Kumar, S., Ha, J., Kim, S. S. and Lee, J. H., "A Comparative Study of Particle Size Analysis in Fine Powder: The Effect of a Polycomponent Particulate System," Korean J. Chemical Eng., 26, 300-305(2009). 

  6. Xiao, L., Yonglin, G., Deyu, Q., Bohua, D., Hanxing, L. and Daoping, T., "Influence of Particle Sizes and Morphologies on the ElectroChemical Performances of Spinel $LiMn_2O_4$ Cathode Materials," J. Power Sources., 225, 286-292(2013). 

  7. Bagheri, G. H., Bonadonna, C., Manzella, I. and Vonlanthen, P., "On the Charaterization of Size and Shape of Irregular Particles," Powder Technol,, 270 141-153(2015). 

  8. Pons, M. N., Vivier, H., Belaroui, K., Bernard-Michel, B., Cordier, F., Oulhana, D. and Dodds, J. A., "Particle Morphology: from Visualization to Measurement," Powder Technol., 103, 44-57(1999). 

  9. Uddin, S. M., Mahmud, T., Wolf, C., Glanz, C., Kolaric, I., Volkmer, C., Holler, H., Wienecke, U., Roth, S. and Fecht, H.,"Effect of Size and Shape of Metal Particle to Improve Hardness and Electrical Properties of Carbon Nanotube Reinforced Copper and Copper Alloy Composites," Compos. Sci. Technol., 70, 2253-2257 (2010). 

  10. Chikosha, S., Shabalala, T. C. and Chikwanda, H. K., "Effect of Particle Morphology and Size on Roll Compaction of Ti-based powder," Powder Technol., 264, 310-319. 

  11. Simon, J. and Kenneth P., "Particle Shape: A Review and New Methods of Characterization and Classification," Sedimentology, 55(1), 31-63(2008). 

  12. Batchuluun, I., Amgalan, B., Uyanga, B., Lee, J. and Choi, H., "Particle Morphology Change and Different Experimental Condition Analysis during Composites Fabrication ProCess by Con-ventional Ball Mill with Discrete Element Method (DEM) Simulation," Korean J. Mater. Res., 26(11), 611-622(2016). 

  13. Uyanga, B., Amgalan, B., Batchuluun, I., Lee, J. and Choi, H., "Analysis of Particle Morphology Change and Discrete Element Method (DEM) with Different Grinding Media in Metal-based Composite Fabrication Process Using Stirred Ball Mill," Korean Chem. Eng. Res., 55(4), 546-466(2017). 

  14. Choi, H., Kim, S. and Hwang, J. Y., "Grinding Kinetics of Calcite, Pyrophyllite and Talc during Stirred Ball Milling-Consideration of Selection Function," J. Miner. SoC. Korea, 20(2), 135-145(2007). 

  15. Choi, H. and Wang, L.,"A Quantitative Study of Grinding Characteristics on Particle Size and Grinding Consumption Energy by Stirred Ball Mill," Korean J. Mater. Res., 17(10), 532-537(2007). 

  16. Choi, H., Lee, W. and Kim, S.,"Effect of Grinding Aid on the Kinetics of Fine Grinding Energy Consumed of Calcite Powders by a Stirred Ball Mill," Adv. Powder Technol., 20, 305-354(2009). 

  17. Choi, H. and Wang, L., "A Quantitative Study of Grinding Characteristics on Particle Size and Grinding Consumption Energy by Stirred Ball Mill," Korean J. Mater. Res., 17(10), 532-537(2007). 

  18. Choi, H., Lee, W., Kim, S. and Chung, H., "Effect of the Sample Concentration on the Submicrometer Particles Produced During a Stirred Ball Milling of Calcite Powders," Int. J. Appl. Technol., 8(5), 1147-1152(2011). 

  19. Sakuragi, S., Amgalan, B., Lee, J. and Choi, H., "Particle Morphology via Change of Ground Particle for Various Experimental Conditions During a Grinding ProCess by Three Kinds of Media Mills," Par. Aerosol Res., 11(1), 9-19(2015). 

  20. Amgalan, B., Sakuragi, S., Lee, J. and Choi, H., "Comparative Study for Standardization of Grinding Equipment During Dry Grinding ProCess by Various Grinding Mills," Korean J. Mater. Res., 25(6), 305-316(2015). 

  21. Park, Y. H., Jeong, H. Y., Lee, B. W., Kim, S. K., Kim, W. Y. and Bae, C. H., "An Analysis of Mechanical Alloying ProCess of Vibratory Ball Milling by Model Simulation," Korean Inst. Met. Mater., 34(7), 896-907(1996). 

  22. Ryu, H., "Simulation Balls' Motion and Kinetic Energy in a Tumbling Ball Mill," Korean J. Mater. Res., 7(4), 339-346(1997). 

  23. Mori, H., Mio, H., Kano, J. and Saito, F., "Ball Mill Simulation in Wet Grinding Using a Tumbling Mill and Its Correlation to Grinding Rate," Powder Technol., 143, 230-239(2004). 

  24. Kim, S. S., Park, G. T., Chung, H. S. and Choi, H. K., "Power Calculation for a Stirrer Ball Mill Using DEM Simulation," Korean SoC. Mech. Eng., 5, 154-157(2008). 

  25. Cho, H. C., "Preparation of Ultra-fine Powder by Grinding," Powder Engineering Summer Workshop, 16, 54-64(2002). 

  26. Jayasundara, C. T., Yang, R.Y. and Yu, A. B., "Effect of the Size of Media on Grinding Performance in Stirred Ball Mills," Miner. Eng., 33, 66-71(2012). 

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