선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구는 자동차 산업의 핵심 목표인 차 체 경량화의 방법으로 기존 자동차 부품에 사용되는 철강 재료를 고분자 재료로 대체하기 위하여 고분자 재료의 피로수명 평가를 수행하여 재료의 특성을 확인하고 이를 바탕으로 자동차 부품의 신뢰성을 예측하는데 기여하고자 한다.
- 따라서 본 연구는 자동차산업에서 FDM 3D 프린팅 기술로 제작된 ABS부품의 도입에 지표가 되고자 FDM 방식으로 제작된 ABS시험편의 회전 굽힘 피로 시험을 진행하였다.
제안 방법
- FDM 3D 방식의 프린팅 기술로 제작된 ABS수지의 시험편을 상온 환경에서 시험편의 피로 특성을 평가하기 위해 3D 설계를 통하여 노치 간격1mm 선단에 반경을 (R) 0.2mm, 0.4mm, 0.6mm, 0.8mm, 1.0mm로 라운드를 주어 시험편을 제작하여 실험을 진행 하였다.
- FDM 방식의 3D 프린팅 기술로 제작된 ABS 시험편의 피로 시험에서 얻은 데이터를 이용하여 ABS 시험편의 집중 응력을 예측하기 위한 유한 요소 해석법을 수행하였다.
- Mojo 장비의 경우 제작 가능 제품의 최대 사이즈가 127 × 127 × 127mm로 본 실험에서 사용하는 Ono’s 회전 굽힘 피로 시험기에서 요구하는 사이즈의 시편 제작에 한계가 있어 일체형 시편을 대신하여 조립형 시편을 제작하여 출력하였다.
- 3 이다. 굽힘 모멘트의 경우 노치가 없는 기본 시험편 노치 깊이( 0mm) 의 피로 시험을 수행하여 얻은 굽힘 응력을 이용하여 얻은 103.1N/mm의 굽힘 모멘트 값을 모든 ABS 시험편에 적용하였다.
- 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서 3D 프린팅 기술을 이용하여 여러 가지 형상의 노치를 가진 ABS 피로 시험편을 제작하였고, 이를 통해서 피로 파괴가 발생하는 위치를 조절하였다. 그리고 노치 제작으로 인한 응력 집중 문제를 해결하기 위한 방법으로 기존의 금속 시험편의 형상과 같은 ABS시험편을 제작하여 피로 시험기에서 걸어주는 굽힘 모멘틀 측정함으로 유한 요소 해석법을 이용한 ABS 시험편의 피로 수명 평가를 수행하는데 필요한 데이터 값을 구할 수 있었다. 그러므로 ABS 피로 시험편의 노치 깊이에 따른 시험편의 피로 수명 평가의 ABS 진행을 시뮬레이션으로 수행하여 노치 깊이에 따른 노치부 집중 응력값을 구하여 FDM방식으로 제작된 ABS 시험편의 피로 수명 예측이 가능하였다.
- 따라서 본 시험은 ABS 시험편의 피로 시뮬레이션 과정을 수행함으로 7kg 수직 하중으로 발생하는 굽힘 모멘트를 측정하여 노치부에 적용하여 노치에 집중되는 굽힘 응력을 구할 수 있었다.
- 그러나 노치제작을 수행하게 되면서 피로 시험의 공정 조건이 틀어져 본래 금속 시험편일 경우 균일하게 응력이 분포되던 것이 노치 존재에 따른 노치부에 응력 집중 현상이 발생하였다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서 3D 프린팅 기술을 이용하여 여러 가지 형상의 노치를 가진 ABS 피로 시험편을 제작하였고, 이를 통해서 피로 파괴가 발생하는 위치를 조절하였다. 그리고 노치 제작으로 인한 응력 집중 문제를 해결하기 위한 방법으로 기존의 금속 시험편의 형상과 같은 ABS시험편을 제작하여 피로 시험기에서 걸어주는 굽힘 모멘틀 측정함으로 유한 요소 해석법을 이용한 ABS 시험편의 피로 수명 평가를 수행하는데 필요한 데이터 값을 구할 수 있었다.
- 본 연구에서는 ABS 피로 시험편의 공정 변수 조건인 노치부 깊이 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1mm 경우를 고려하여 피로 시험편의 집중 하중을 의도적으로 계획하였다 .
- 조립형 시험편의 설계는 시험편을 3등분으로 분할하여 제작하였다. 시험편 양쪽의 길이를 늘이기 위해 시험편 양쪽에 캡(cap)을 제작하여 조립시켰고, 이때 캡의 홈은 열 십( 十)형태로 제작하여 , 시편의 일체성을 향상시켰다. 설계된 조립형 시험편의 3D 모델을 Fig.
- 0mm로 라운드를 주어 시험편을 제작하여 실험을 진행 하였다. 시험편에 적용되는 수직의 반복하중은 모든 시험편에 동일하게 7 kg을 가하였고 시험 회전속도는 분당 3450 회를 적하여 피로 시험을 하였다.
- 하지만 위 기준으로 시험편을 제작을 하여 실험을 수행한 결과 고분자 시험편의 경우 반복성을 보장하지 못하고 결과의 표준 편차가 너무 커서 피로실험 결과가 불확실한 경향을 나타내었다. 이를 극복하기 위하여 본 실험의 경우는 노치 간격 1mm 선단에 반경 (R) 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0mm로 라운드를 주어 3D 프로그래밍 후, 3D 프린터로 제작하였다. 노치 선단은 1mm로 일정하며 노치의 라운드 깊이가 줄어듦에 따라 중심부의 단면적 줄어들게 된다.
- 그리고 소재 특성에 따른 제약은 고분자 물질의 불균일성으로 인한 피로 시험 시 파단 부위가 무작위하게 발생하였다. 이를 해결하기 위해 ABS 피로 시험편에 노치 제작 과정을 수행하게 되었다. 그러나 노치제작을 수행하게 되면서 피로 시험의 공정 조건이 틀어져 본래 금속 시험편일 경우 균일하게 응력이 분포되던 것이 노치 존재에 따른 노치부에 응력 집중 현상이 발생하였다.
- 조립형 시험편의 설계는 시험편을 3등분으로 분할하여 제작하였다. 시험편 양쪽의 길이를 늘이기 위해 시험편 양쪽에 캡(cap)을 제작하여 조립시켰고, 이때 캡의 홈은 열 십( 十)형태로 제작하여 , 시편의 일체성을 향상시켰다.
- 이 기준을 적용하여 고분자 시편을 적용할 때 매 시험의 결과의 표준편차 너무 커서 시험편의 개선이 필요하였다. 표준편차를 적게 하기 위해서 3D 프린팅으로 다양한 형상의 노치를 제작하였다.
- 본 피로 시험에서 피로 시험 장비가 금속 시험을 표준으로 사용하기 때문에 ABS시험편을 사용하기에는 피로 시편 맞춤 제작과 소재 특성에 따른 제약이 발생하였다. 피로 시험편의 맞춤 제작은 3D 프린터의 사이즈 제한으로 문제가 있었지만, 3D프린팅 기술의 공학적 특성을 이용하여 ABS 피로 시험편의 3차원 설계 시 시험편을 조립식으로 제작하여 문제를 해결하였다. 그리고 소재 특성에 따른 제약은 고분자 물질의 불균일성으로 인한 피로 시험 시 파단 부위가 무작위하게 발생하였다.
- 3D 프린팅 기술로 인해 기존의 제조기술로 구현하기 힘든 복잡한 노치의 형상을 손쉽게 제조가 가능하였고 ,여러 개의 부품을 만들어 설계 및 조립하여 제조 공정을 단축할 수 있었다. 현하기 힘든 복잡한 노치의 형상을 손쉽게 제조가 가능하였고 ,여러 개의 부품을 만들어 설계 및 조립하여 제조 공정을 단축할 수 있었다.
대상 데이터
- 따라서 노치에 따른 ABS 시험편의 수명 예측 평가를 위해 노치가 없는 지름 12mm ABS 시험편의 굽힘 응력은 시뮬레이션을 위한 표준 데이터로 사용되었다.
- 그러므로 본 시험에 3D 프린팅 기술로 제작된 ABS 시험편은 노치의 깊이가 1mm일 때 노치부에 32 MPa의 집중 응력을 받아 회전수의 경수는 200100 cycle이 측정되었다. 하지만 노치가 존재하지 않을 때의 ABS 시험편의 경우는 집중 응력 없이 시편 표면부에 동일한 굽힘 응력
- 본 시험 장비로는 Fig. 6에서 보여주듯이 Ono’s 회전 굽힘 피로 시험기를 사용하였다.
- 본 피로 실험에 사용된 시험편의 기자재로는 ABS(Acyloniteile-Butadiene-Styren copolymer) 수지를 사용하였다. ABS수지는 Acrylonitrile(아크릴로니트릴), Butadiene(부타니엔), Styrene(스테린) 등 3종의 단량체가 공중합한 형태로 결합된 재료이다.
이론/모형
- ABS수지는 Acrylonitrile(아크릴로니트릴), Butadiene(부타니엔), Styrene(스테린) 등 3종의 단량체가 공중합한 형태로 결합된 재료이다. 시험편 제작은 3D 프린팅 기술인 FDM 방식을 이용하였으며, 제작시 사용된 3D 프린터는 Stratasys 사의 Mojo 장비를 사용하였다. Mojo 장비의 경우 제작 가능 제품의 최대 사이즈가 127 × 127 × 127mm로 본 실험에서 사용하는 Ono’s 회전 굽힘 피로 시험기에서 요구하는 사이즈의 시편 제작에 한계가 있어 일체형 시편을 대신하여 조립형 시편을 제작하여 출력하였다.
- 이에 대한 집중 하중을 유한요소법을 이용하여 계산하였다. 유한요소 해석시 사용한 프로그램은 유한요소법 소프트웨어인 ANSYS를 이용하였다. 모델의 수치적 계산의 효율을 위하여 대칭성을 이용하였고 아래의 그림에서와 같이 파란 부분을 Frictionless Support로 적용하였다.
- 8, 1mm 경우를 고려하여 피로 시험편의 집중 하중을 의도적으로 계획하였다 .이에 대한 집중 하중을 유한요소법을 이용하여 계산하였다. 유한요소 해석시 사용한 프로그램은 유한요소법 소프트웨어인 ANSYS를 이용하였다.
성능/효과
- 3D 프린팅 기술로 인해 기존의 제조기술로 구현하기 힘든 복잡한 노치의 형상을 손쉽게 제조가 가능하였고 ,여러 개의 부품을 만들어 설계 및 조립하여 제조 공정을 단축할 수 있었다. 현하기 힘든 복잡한 노치의 형상을 손쉽게 제조가 가능하였고 ,여러 개의 부품을 만들어 설계 및 조립하여 제조 공정을 단축할 수 있었다.
- FDM 3D 프린팅 기술로 제작된 ABS 시편의 피로 시뮬레이션을 수행한 결과 노치부의 지름이 늘어날수록 굽힘 응력 집중은 감소하고 수명이 증가함을 알 수 있었다. 그리고 피로 시험편의 노치부 지름이 10mm 11.
- 그리고 노치 제작으로 인한 응력 집중 문제를 해결하기 위한 방법으로 기존의 금속 시험편의 형상과 같은 ABS시험편을 제작하여 피로 시험기에서 걸어주는 굽힘 모멘틀 측정함으로 유한 요소 해석법을 이용한 ABS 시험편의 피로 수명 평가를 수행하는데 필요한 데이터 값을 구할 수 있었다. 그러므로 ABS 피로 시험편의 노치 깊이에 따른 시험편의 피로 수명 평가의 ABS 진행을 시뮬레이션으로 수행하여 노치 깊이에 따른 노치부 집중 응력값을 구하여 FDM방식으로 제작된 ABS 시험편의 피로 수명 예측이 가능하였다. 따라서 본 시험에서 구한 노치부 집중 응력 데이터값은 자동차 산업에서 사용되는 ABS부품의 제작 방법으로 3D 프린팅 기술의 적용하는데 도움이 되는 중요한 자료가 될 것이다.
후속연구
- 그러므로 ABS 피로 시험편의 노치 깊이에 따른 시험편의 피로 수명 평가의 ABS 진행을 시뮬레이션으로 수행하여 노치 깊이에 따른 노치부 집중 응력값을 구하여 FDM방식으로 제작된 ABS 시험편의 피로 수명 예측이 가능하였다. 따라서 본 시험에서 구한 노치부 집중 응력 데이터값은 자동차 산업에서 사용되는 ABS부품의 제작 방법으로 3D 프린팅 기술의 적용하는데 도움이 되는 중요한 자료가 될 것이다.
- 11 MPa이 가해져 회전수 1742250 cycle이 측정되었다. 따라서 본 시험의 결과값을 통해 FDM 방식으로 제작된 ABS 시험편의 피로 시뮬레이션의 과정을 수행함으로써 3D 프린팅 기술로 제작된 ABS 시편의 피로 파괴에 대한 신뢰성을 검증하는데 중요한 자료가 될 것이라 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.