[논문]접착제 분사 기술을 활용한 산업용 중자 제작

최진용; 신승중

doi:10.7236/jiibc.2019.19.5.245

접착제 분사 기술을 활용한 산업용 중자 제작
Production of Casting Cores using Powder Binder Jetting Techniques 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.19 no.5, 2019년, pp.245 - 250

최진용 (한세대학교 대학원 IT 융합학과) , 신승중 (한세대학교 ICT융합학과)

초록
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현대 주조산업에서는 적층제조기술과 같은 신기술을 도입하면서 과거에는 불가능했던 일들의 실현가능성을 보여주고 있다. 이미 해외에서는 적층제조기술을 활용한 중자 생산 및 적용 사례가 심심치 않게 보도되고 있으며, 정부지원 하에 고유 기술들을 개발하고 시장을 확장해 나가고 있다. 반면 국내에서는 고유장비 기술은커녕 적층제조기술의 활용조차 전무한 실정이다. 이러한 상황에서 적층제조기술의 도입과 국산화는 반드시 필요하다. 본 논문의 각 장에서는 여러가지 적층제조기술 중 접착제 분사 기술에 관련된 적층제조장비의 개발 과정에서부터 개발 장비를 활용한 산업용 중자 생산의 내용을 다루고 있으며, 실제 주조 산업의 적용 가능성에 대해서 언급하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, new technologies such as additive manufacturing have been applied to casting industry, paving new ways to achieve what have traditionally been impossible. In the global market, numerous successful cases of producing cores using additive manufacturing technology have been reported, and new techniques and markets are being developed under governments' support. In Korea, however; cases of applying additive manufacturing to casting are hard to come by, not to mention domestic AM machines and related technologies. Under these circumstances, introduction of additive manufacturing technologies and customized application to domestic casting industry are required. Each chapter of this paper explores topics ranging from the development of AM machine using binder jetting technology among various AM techniques through producing industrial cores to the on-site applications in the foundries.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 접착제 분사 방식의 모식도.^[1] Fig. 1. Schematic diagram of Binder Jetting.^[1]
그림 그림 2. 접착제 분사 장비 구조도. Fig. 2. Mechanical structure of Binder Jetting.
그림 그림 3. 접착제 분사 공정 조건. 측면(a) 윗면(b) Fig. 3. Printing conditions for Binder Jetting. side view(a)
그림 그림 4. 접착제 분사용 분말 Fig. 4. Binder Jetting powder particles
표 표 1. 개발 장비와 외산장비의 성능비교 Table 1. Comparison of key attributes (vs. VoxelJet)
그림 그림 5. 바인더 분사량에 따른 출력 결과 (a) 과량 (b) 미량(c) 정량 Fig. 5. Printed objects by binder volume (a) excessive (b) insuffcient (c) adequate
그림 그림 6. DPI에 따른 출력 결과 (a) 300DPI (b) 600DPI Fig. 6. Printed objects by DPI (a) 300DPI (b) 600DPI
표 표 2. 열처리 조건에 따른 항절 강도 비교 Table 2. Bending strength by heat treatment parameters
그림 그림 7. 접착제 분사 방식으로 제조한 중자(a) 및 주물(b) Fig. 7. Cores(a) and casted output(b) using Binder Jetting
표 표 3. 생산 수량에 따른 출력 시간 비교 Table 3. Printing time by printing volum per build

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 접착제 분사 장비의 국산화를 이뤄내는 것을 목표로 고유 기술을 획득하고 활용하여 산업용 중자의 생산가능성을 알아보고자 한다.

제안 방법

Binder Jetting으로 출력한 제품이 주조에 사용할 수 있는지를 확인하기 위해 항절강도 테스트를 진행하였고 결과는 표 5에 나타내었다. X, Y, Z축의 길이가 각각 70mm, 20 mm, 10 mm인 직사각형 시편을 제작하여 열처리 조건에 따라 항절강도가 어떻게 나타나는지 알아보았다.
Binder Jetting으로 출력한 제품이 주조에 사용할 수 있는지를 확인하기 위해 항절강도 테스트를 진행하였고 결과는 표 5에 나타내었다. X, Y, Z축의 길이가 각각 70mm, 20 mm, 10 mm인 직사각형 시편을 제작하여 열처리 조건에 따라 항절강도가 어떻게 나타나는지 알아보았다. 열처리를 하지 않은 경우 2.
Binder Jetting의 경우는 면대면 출력의 특성을 지니고 있어 적층제조기술 안에서도 상당히 빠른 출력 속도를 자랑한다. 실제 조형 출력 속도를 알아보기 위해 100mm * 100mm * 100mm의 정육면체 형상의 디자인을 개수별로 출력하였을 때, 분말적층용융 방식과의 총 출력시간을 비교해 보았다. 표 3에 나타낸 바와 같이 하나의 샘플을 출력할 경우에는 분말적층용융 방식이 3650초로 접착제 분사 방식보다 빠르지만, 수량이 늘어날수록 분말적층용융 방식의 소요되는 시간이 늘어나는 반면, 접착제 분사 방식은 그대로 이다.
특히 기존의 외산장비와 비교해 보아도 그 성능이 나쁘지 않았으며, 해상도나 출력 속도는 오히려 더 우수하였다. 접착제 분사 방식은 바인더의 토출량을 제어하는 소프트웨어와 헤드 기술이 핵심이며 장비의 파라미터 설정을 어떻게 하느냐에 따라 최종 출력물의 품질을 결정지었다. 본 개발 장비에서는 적층 두께 100㎛, 600DPI의 해상도, 450mm/s의 속도로 출력하였을 때 가장 안정적인 것으로 나타났다.

대상 데이터

개발된 장비는 길이 12.7 mm, 노즐 300개의 thermal head를 사용하며, head 4개를 이어 50.8 mm의 인쇄영역을 갖는다. 인쇄 속도에 영향을 주는 x축의 움직임은 사용된 모터의 성능상 250~500 mm/s의 속도로 움직일 수 있으나, 500 mm/s의 속도로 움직일 경우, head 통신 속도와 출력 속도 간의 차로 잦은 출력 오류가 일어나 적정 속도는 450 mm/s로 확인된다.
Binder Jetting의 경우, 치수정밀도, 표면 균일도, 강도 등의 파라미터는 바인더 포화도 (saturation)와 적층 두께의 영향을 받는다. 실험에 사용된 head는 300개의 노즐을 갖고 있고, 150개의 노즐이 4mm간격을 갖고 2열로 배열되어 있다. 이 두 행이 1/600 인치로 엇갈려 배열되어 300 혹은 600 DPI의 해상도를 갖으며, 33pl의 drop volume을 갖는다.
이 실험에 사용된 소재의 평균 입자 사이즈는 50 μm로, 80, 100, 150 μm의 적층 두께를 갖을 수 있음을 예상할 수 있다.

성능/효과

표 3에 나타낸 바와 같이 하나의 샘플을 출력할 경우에는 분말적층용융 방식이 3650초로 접착제 분사 방식보다 빠르지만, 수량이 늘어날수록 분말적층용융 방식의 소요되는 시간이 늘어나는 반면, 접착제 분사 방식은 그대로 이다. 결과적으로 5개 이상 출력하게 되면 접착제 분사 방식의 생산속도가 더 빠름을 확인할 수 있다. 따라서 대량의 중자를 생산할 경우에는 허용되는 최대 용적 안에서 접착제 분사 방식의 출력 속도가 분말적층용융 방식의 출력 속도 보다 훨씬 빠르기 때문에 효율성이 좋아진다.
제작된 출력물은 출력 직후의 강도는 산업에 바로 사용하기 부족하였고 최소 1300℃ 이상에서 2시간 가량 열처리를 진행하였을 때 적절한 강성을 가지게 되었다. 또한 출력 생산 속도 비교를 통해 접착제 분사 방식이 대량생산에 적합하다는 사실을 확인할 수 있었다.
접착제 분사 방식은 바인더의 토출량을 제어하는 소프트웨어와 헤드 기술이 핵심이며 장비의 파라미터 설정을 어떻게 하느냐에 따라 최종 출력물의 품질을 결정지었다. 본 개발 장비에서는 적층 두께 100㎛, 600DPI의 해상도, 450mm/s의 속도로 출력하였을 때 가장 안정적인 것으로 나타났다. 제작된 출력물은 출력 직후의 강도는 산업에 바로 사용하기 부족하였고 최소 1300℃ 이상에서 2시간 가량 열처리를 진행하였을 때 적절한 강성을 가지게 되었다.
본 실험에서 300 DPI로 인쇄 시 조형이 안정적이지 못하고 표면에 무너짐이 확인되어 적정 DPI는 600으로 판단된다.(그림 6) 적층 두께는 사용 소재 (powder)에 큰 영향을 받으며, 보통 최소 두께는 powder 평균 사이즈의 150~200 %이다.
8 mm의 인쇄영역을 갖는다. 인쇄 속도에 영향을 주는 x축의 움직임은 사용된 모터의 성능상 250~500 mm/s의 속도로 움직일 수 있으나, 500 mm/s의 속도로 움직일 경우, head 통신 속도와 출력 속도 간의 차로 잦은 출력 오류가 일어나 적정 속도는 450 mm/s로 확인된다. 출력 영역의 크기가 300 mm * 400 mm인 점을 감안하였을 때, 전 영역을 출력하기 위해선 head는 y축으로 6회 움직여야하기 때문에 1layer 인쇄 시 6초의 시간이 소요됨을 알 수 있다.
적층제조장비의 국산화를 이루고자 많은 노력을 하였으며 결과적으로 접착제 분사 방식의 장비를 개발하고 직접 구동하여 중자의 생산 가능성을 확인하였다. 특히 기존의 외산장비와 비교해 보아도 그 성능이 나쁘지 않았으며, 해상도나 출력 속도는 오히려 더 우수하였다.
본 개발 장비에서는 적층 두께 100㎛, 600DPI의 해상도, 450mm/s의 속도로 출력하였을 때 가장 안정적인 것으로 나타났다. 제작된 출력물은 출력 직후의 강도는 산업에 바로 사용하기 부족하였고 최소 1300℃ 이상에서 2시간 가량 열처리를 진행하였을 때 적절한 강성을 가지게 되었다. 또한 출력 생산 속도 비교를 통해 접착제 분사 방식이 대량생산에 적합하다는 사실을 확인할 수 있었다.
적층제조장비의 국산화를 이루고자 많은 노력을 하였으며 결과적으로 접착제 분사 방식의 장비를 개발하고 직접 구동하여 중자의 생산 가능성을 확인하였다. 특히 기존의 외산장비와 비교해 보아도 그 성능이 나쁘지 않았으며, 해상도나 출력 속도는 오히려 더 우수하였다. 접착제 분사 방식은 바인더의 토출량을 제어하는 소프트웨어와 헤드 기술이 핵심이며 장비의 파라미터 설정을 어떻게 하느냐에 따라 최종 출력물의 품질을 결정지었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 주조산업의 문제는?	이미 해외에서는 적층제조기술을 활용한 중자 생산 및 적용 사례가 심심치 않게 보도되고 있으며, 정부지원 하에 고유 기술들을 개발하고 시장을 확장해 나가고 있다. 반면 국내에서는 고유장비 기술은커녕 적층제조기술의 활용조차 전무한 실정이다. 이러한 상황에서 적층제조기술의 도입과 국산화는 반드시 필요하다.
	적층제조기술의 특징은?	현대 사화에서 전통적인 주조방식을 대체할만한 기술로 적층제조기술(Additive Manufacturing, AM)이 떠오르고 있다. 이 기술은 절삭 가공과는 반대되는 개념으로 원 재료를 깎아서 제작하는 것이 아닌 층층이 쌓아올려 형상을 만들어내기 때문에 재료비용 절감과 제품화 단계에서 중간과정을 대체할 수 있어 개발 주기를 대폭 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 그 중, 접착제 분사 방식은 시간 및 경제적인 부분에서 상당히 효율적이라고 인정받고 있다.
	잉크젯 헤드는 잉크 분사 방식에 따라 어떻게 나눌 수 있는가?	헤드가 크고 개수가 많을수록 한 번에 출력할 수 있는 면적이 넓어지기 때문에 그만큼 조형물의 제작 속도가 빨라진다. 헤드는 잉크 분사 방식에 따라 압전 타입을 이용한 piezo head와 열을 이용한 thermal head로 나뉘며, 각 타입은 가격과 사용 바인더의 범용성 등의 다양한 장단점을 갖는다. 프린터는 원료 분말 공급 작업을 하는 롤러와 잉크젯 헤드를 움직이는 x축 및 y축, powder의 평탄작업을 위한 롤러의 회전축, 프린트 작업이 이루어지는 build room과 build room에 원료 분말을 공급하는 feed room을 움직이는 두 z축으로 이루어져 있다.

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Suk-Jae Jung, Tae-Hee Lee, "Study of Trends in The Architecture and The Economic Efficiency of 3D Printing Technology", Vol. 15, No. 10 pp. 6336-6343, 2014, DOI : https://doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.10.6336

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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