[논문]3D 프린팅으로 제작한 Ti-6Al-4V 재료의 Johnson-Cook 모델의 유동 응력 결정

박대균; 김태호; 전언찬

doi:10.14775/ksmpe.2018.17.4.064

3D 프린팅으로 제작한 Ti-6Al-4V 재료의 Johnson-Cook 모델의 유동 응력 결정
Flow Stress Determination of Johnson-Cook Model of Ti-6Al-4V Material using 3D Printing Technique 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.17 no.4, 2018년, pp.64 - 69

박대균 (동아대학교 기계공학과 대학원) , 김태호 (티엔에스머시닝) , 전언찬 (동아대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper investigates the compressive deformation behavior of direct metal tooling (DMT), processing titanium alloy (Ti-6Al-4V) parts under high strain loading conditions. Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) experiments were performed to determine the flow stress and the coefficients of the Johnson-Cook model. This model is described as a function of strain, strain rate, and temperature. SHPB experiments were performed to characterize the deformation behavior of specimens made with 3D printers, using Ti-6Al-4V material under high temperature and dynamic loading.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리하여 본 논문에서는 SHPB 실험을 통하여 Ti-6Al-4V 재료를 이용하여 3D 프린터로 제작한 시편의 고온, 동적 하중 하에서 변형 거동의 특성을 규명하고 절삭 시뮬레이션에 적용할 수 있는 Johnson-Cook 구성방정식의 계수 값을 구하는 것을 목표로 하였다.

제안 방법

1. SHPB 실험으로 Ti-6Al-4V 재료를 이용하여 3D 프린터로 제작한 시편의 고온, 동적 하중 하에서 변형 거동의 특성을 규명하였다.
3. SHPB 실험으로 Ti-6Al-4V 재료를 이용하여 3D 프린터로 제작한 시편의 고온, 동적 하중 하에서 변형 거동의 특성을 규명하였다.
0001/s로 변화시키며 시험을 수행하였다. 그리고 온도 변화에 따른 동적 변형 거동에 미치는 영향을 판단하기 위하여 속도 1800/s, 온도 342℃에서 고온시험을 수행하였다.
본 연구는 Ti-6Al-4V 분말 재료을 이용하여 3D 프린트로 시편을 제작하였다. 그리고 이를 이용하여 SHPB 실험을 수행하였으며 구성방정식의 계수값을 구하기 위하여 획득한 데이터를 이용하여 커브피팅으로 계수값을 구하고 실험과 계수값으로 예측한 구성방정식을 비교하여 다음과 같은 결론을 획득할 수 있었다.
변형률 속도 및 온도가 시편 재료의 동적 변형 거동에 미치는 영향을 판단하기 위하여 변형률 속도를 2100/s, 1700/s, 0.05/s, 0.0001/s로 변화시키며 시험을 수행하였다. 그리고 온도 변화에 따른 동적 변형 거동에 미치는 영향을 판단하기 위하여 속도 1800/s, 온도 342℃에서 고온시험을 수행하였다.
구성방정식의 계수값은 SHPB 시험을 통하여 획득한 결과값을 이용하여 기준 변형률로 변형률 속도에 따른 응력-변형률 선도를 나타낸다. 본 연구에서는 상온과 고온의 SHPB실험을 통하여 획득한 그래프를 이용하여 오리진의 커브피팅으로 계수값을 획득하였다. 이를 Table 1에 나타내었다.

대상 데이터

본 연구는 Ti-6Al-4V 분말 재료을 이용하여 3D 프린트로 시편을 제작하였다. 그리고 이를 이용하여 SHPB 실험을 수행하였으며 구성방정식의 계수값을 구하기 위하여 획득한 데이터를 이용하여 커브피팅으로 계수값을 구하고 실험과 계수값으로 예측한 구성방정식을 비교하여 다음과 같은 결론을 획득할 수 있었다.
직경은 Φ4mm 높이는 6mm의 크기로 제작하였다.

이론/모형

Aviral Shrot^[4]등은 직교절삭 시험과 FEM 수치해석을 통하여 AISI 52100, 62HRC 강의 Johnson-Cook 구성방정식 상수를 결정하였으며, 황과 안등은 Johnson-Cook 구성방정식 상수를 슬롯밀링 시험을 통해 획득하였다^[5]^[6]. Mahmoud Shatla^[7] 등은 직교슬롯밀링 시험을 통하여 AISI P20 mold steel 등 3종의 금속에 대해 Flow-stress data를 획득하는 방법을 그리고 M Agmell^[8]등은 AISI4140 강의 Johnson-Cook 모델 상수를 2차원 절삭시험과 FEM 수치해석을 통해 획득하였다.

성능/효과

2. 상온에서의 유동응력은 속도가 증가할수록 경화현상으로 인하여 응력이 높아지며 온도가 높아질수록 연화현상으로 응력이 낮아지는 것을 확인하였다.
4. Johnson-Cook(JC) 구성방정식의 변수를 A는 1437.640Mpa, B는 1641.456Mpa, n은 0.9772 C는 0.021, m은 0.895로 결정하였다.
7은 변형률 속도 변화에 따른 SHPB시험 결과값과 예측한 계수값을 적용한 J-C 구성방정식이 나타내는 결과값을 그래프로 나타내었다. J-C 구성방정식으로 획득한 응력 변형률 커브가 시험으로 획득한 데이터와 변형률 속도변화에 따라 실험하여 얻은 결과와 구성방정식으로 산정되는 응력의 변화가 유사하게 접근되는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
8은 온도에 변화에 따른 SHPB 실험 결과와 구성방정식으로 예측한 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 온도가 높아질수록 응력증가가 낮아지고 있으며 구성방정식으로 산정되는 응력의 변화와 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
6은 진응력과 진병형률의 그래프로 변형 속도가 증가할수록 응력값이 높아진다. 이는 변형 속도가 증가할수록 재료가 경화되어 응력값이 높아지며, 온도가 증가할수록 재료가 연화되어 응력값이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 재료의 절삭 조건을 적용하기 힘든 이유는 무엇인가?	분말을 사용하여 제작된 3D 프린터 제품의 경우 외부 표면 상태의 문제로 인하여 실제 제품으로 사용시 절삭가공을 통한 후처리가 필요하다. 그러나 기존 재료와 3D 프린터 재료의 물성 차이로 인하여 기존 재료의 절삭 조건을 적용하기 힘든 실정이다. 이를 극복하기 위하여 시뮬레이션을 이용하여 절삭조건을 선정함으로써 시간과 비용을 절감할 수 있다.
	절삭공정 시뮬레이션의 정확한 예측을 위해 필요한 것은 무엇인가?	절삭공정 시뮬레이션을 통해 공구에 걸리는 절삭력, 절삭온도, 공구마모, 그리고 공작물 표면적의 잔류응력 등을 예측할 수 있다. 하지만 시뮬레이션에서 정확한 예측을 하기 위해서는 선행적으로 피삭재의 유동응력을 정확하게 기술하여야 한다. 재료의 유동응력을 기술한 모델은 다양하게 개발되어 있으나 가장 많이 사용되고 있는 모델은 Johnson-Cook 모델이다.
	절삭가공을 통한 후처리가 필요한 이유는 무엇인가?	분말을 사용하여 제작된 3D 프린터 제품의 경우 외부 표면 상태의 문제로 인하여 실제 제품으로 사용시 절삭가공을 통한 후처리가 필요하다. 그러나 기존 재료와 3D 프린터 재료의 물성 차이로 인하여 기존 재료의 절삭 조건을 적용하기 힘든 실정이다.

참고문헌 (10)

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Choi, J. W., Kim, H. C.,"3D Printing Technologies-A Review" Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 3, pp. 1-8, 2015.
Kim, J. T., Woo, S. C., Kim, J.Y., and Kim T.W., "Compressive Deformation Behaviors of Aluminum Alloy in a SHPB Test" Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 36, No. 6, PP. 617-622, 2012.

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Aviral Shrot, Martin Baker, "Determination of Johnson-Cook Parameter from Machining Simulation", Computational Material Science Vol. 52, No. 1, pp. 298-304, 2012.

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Hwang, J. h., Kim, N. S., Lee, H. G., Kim, D. C., "Determination of the Flow Stress of Zicaloy-4 under the High Strain-rate Condition Using Slot Milling Test", The Korean Society Mechanical Engineers, Vol. 37, No. 1, pp. 97-98, 2013.

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Ahn, K. W., Kim, D. H., Kim, T. H., Jeon, E. C., "Determination and Verification of Flow Stress of Low-alloy Steel Using Cutting Test", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 13, No. 5, pp. 50-56, 2014.
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Agmell, M., Ahadi, A., Stahl, J-E., "A Fully Coupled Thermomechanical Two-dimensional Simulation Model for Orthogonal Cutting: Formulation and Simulation", Journal of Engineering manufacture Vol. 223, No. 10, pp. 1735-1745, 2011.
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Lee, O. S. , Park, J. S. , Choi, H. B., Kim, H. M., "Characterization of Dynamic Deformation Behavior of Al7075-T6 at High Temperature by Using SHPB Technique", The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 34, NO. 8, PP. 981-987, 2010.

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