[논문]DLP 기반 3D 프린팅으로 제조된 Al2O3 절삭공구의 기계적 물성 연구

이현빈; 이혜지; 김경호; 김경민; 류성수; 한윤수

doi:10.4150/kpmi.2019.26.6.508

DLP 기반 3D 프린팅으로 제조된 Al2O3 절삭공구의 기계적 물성 연구
A Study on the Mechanical Properties of Al2O3 Cutting Tools by DLP-based 3D Printing 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.26 no.6, 2019년, pp.508 - 514

이현빈 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 이혜지 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 김경호 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 김경민 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 류성수 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 한윤수 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In the development of advanced ceramic tools, material improvements and design freedom are critical in improving tool performance. However, in the die press molding method, many factors limit tool design and make it difficult to develop innovative advanced tools. Ceramic 3D printing facilitates the production of prototype samples for advanced tool development and the creation of complex tooling products. Furthermore, it is possible to respond to mass production requirements by reflecting the needs of the tool industry, which can be characterized by small quantities of various products. However, many problems remain in ensuring the reliability of ceramic tools for industrial use. In this study, alumina inserts, a representative ceramic tool, was manufactured using the digital light process (DLP), a 3D printing method. Alumina inserts prepared by 3D printing are pressurelessly sintered under the same conditions as coupon-type specimens prepared by press molding. After sintering, a hot isostatic pressing (HIP) treatment is performed to investigate the effects of relative density and microstructure changes on hardness and fracture toughness. Alumina inserts prepared by 3D printing show lower relative densities than coupon specimens prepared by powder molding but indicate similar hardness and higher fracture toughness values.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 3D 프린팅으로 제조한 세라믹 공구의 물성이 기존 프레스 공법으로 제조한 세라믹 공구의 물성과 어떤 차이가 나는지 확인해 보았다. 이를 위해 간단한 형상이지만 대표적인 세라믹 공구인 알루미나 인서트를 3D 프린팅으로 제작하였다.

제안 방법

본 연구에서는 DLP 방식의 3D 프린팅법을 사용하여, 대표적인 세라믹 절삭공구인 알루미나 인서트를 제조하였다. 3D 프린팅으로 성형된 알루미나 인서트와 분말 프레스법으로 제조된 쿠폰형 성형체를 동일한 조건으로 상압소결하고, HIP 처리한 후 기계적 물성을 비교하였다. 3D 프린팅으로 성형되고 상압 소결된 알루미나 인서트의 상대밀도는 99.

대상 데이터

알루미나 슬러리를 제조하기 위해 아크릴레이트 모노머 (HDDA, SigmaAdrich, USA)와 실란 커플링제(KBM, ShinEtsu, Japan)를 교반하여 비이클을 제조하였다. 준비된 비이클과 나노크기의 알루미나 분말(AKP-30)를 혼합하고, 200 rpm의 속도로 24시간 볼밀하였다.

데이터처리

상대밀도는 미세연마한 표면의 SEM 이미지를 기반으로 이미지 분석을 통해 구했다. 특정 시편에서 무작위로 위치를 선택해 SEM 이미지를 얻고, 상용소프트웨어를 이용해 기공으로 보이는 영역의 픽셀 숫자와 전체 이미지의 픽셀 숫자를 검출하여, 상대밀도를 계산하였다. 각각의 조건 당 10장의 이미지에 대해 상대밀도를 측정하였고, 상대밀도 평균값을 산출하였으며, 표준편차를 계산하여, 그래프에 에러바로 표시하였다.

성능/효과

3D 프린팅으로 성형된 알루미나 인서트와 분말 프레스법으로 제조된 쿠폰형 성형체를 동일한 조건으로 상압소결하고, HIP 처리한 후 기계적 물성을 비교하였다. 3D 프린팅으로 성형되고 상압 소결된 알루미나 인서트의 상대밀도는 99.00%로 분말 프레스법으로 성형 및 소결된 알루미나 쿠폰 시편에 비해 낮은 상대 밀도를 보였다. 파단면 분석 결과 입자는 1 μm 이하의 크기를 가져, 원료 분말 크기를 고려할 때 입자성장은 상대적으로 적게 일어났다.
54%까지 증가한 반면, 입자성장은 거의 일어나지 않았다. 절삭공구가 가져야하는 대표적인 기계적 물성인 경도는 3D 프린팅 인서트가 분말성형 쿠폰 시편과 유사한 값을 보였으나, HIP 처리한 후 급격하게 경도가 감소하는 경향을 보였다. 파괴인성은 3D 프린팅 인서트 시편이 분말성형 쿠폰 시편보다 높은 값을 보였는데, 이는 작은 균열(short crack)영역에서 입자가교에 의한 파괴인성 강화에는 상대적으로 작은 입자를 가진 3D 프린팅 인서트 시편이 유리하기 때문이라고 판단된다.
절삭공구가 가져야하는 대표적인 기계적 물성인 경도는 3D 프린팅 인서트가 분말성형 쿠폰 시편과 유사한 값을 보였으나, HIP 처리한 후 급격하게 경도가 감소하는 경향을 보였다. 파괴인성은 3D 프린팅 인서트 시편이 분말성형 쿠폰 시편보다 높은 값을 보였는데, 이는 작은 균열(short crack)영역에서 입자가교에 의한 파괴인성 강화에는 상대적으로 작은 입자를 가진 3D 프린팅 인서트 시편이 유리하기 때문이라고 판단된다. HIP 처리 중에 입자 성장은 거의 없는 것으로 볼 때, HIP 처리한 3D 프린팅 인서트 시편과 HIP 처리하지 않은 3D 프린팅 인서트 시편이 유사한 파괴인성 값을 보이는 것은 타당한 결과라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세라믹은 무엇인가?	세라믹은 우수한 특성으로 인해, 화학, 기계, 전자, 항공 우주, 바이오를 포함한 광범위한 분야에 응용되는 소재이다. 이러한 특성은 높은 기계적 강도와 경도, 우수한 열 및 화학적 안정성 및 광학, 전기, 전자, 자기 성능에 기인한다.
	세라믹의 특성은 무엇에 기인하는가?	세라믹은 우수한 특성으로 인해, 화학, 기계, 전자, 항공 우주, 바이오를 포함한 광범위한 분야에 응용되는 소재이다. 이러한 특성은 높은 기계적 강도와 경도, 우수한 열 및 화학적 안정성 및 광학, 전기, 전자, 자기 성능에 기인한다. 세라믹 부품은 일반적으로 바인더 없는 분말, 혹은 바인더 및 다른 첨가물이 포함된 혼합물 형태의 원료를 기반으로, 사출성형, 다이 프레싱, 테잎캐스팅, 겔 캐스팅의 방법을 통해 성형이 되며, 이어 고온의 치밀과 공정을 거쳐, 치수 가공 및 표면 처리로 완성된다[1].
	기존의 주조 및 가공으로 얻을 수 있는 이점은?	적층가공(Additive manufacturing, AM)은 3D 프린팅이라고도 명명되는데, 3차원 CAD 모델을 2차원 평면의 디지털 단면도로 분해하여, 각각의 층을 성형하면서 쌓아 올리는 첨단 제조 기술이다. 기존의 주조 및 가공으로는 구현하기 어려운 복잡 형상의 정밀한 구조물을 유연하게 제조할 수 있으며, 한 번의 실행으로 여러 개의 부품을 만들 수 있어 생산성을 높일 수 있다[2, 3]. 세라믹 부품 제조에 3D 프린팅을 접목하면, 앞서 언급한 기존 세라믹 공정의 단점을 쉽게 해결할 수 있는 가능성이 존재하므로, 현재 많은 연구자들이 관심을 가지고 있다.

참고문헌 (15)

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