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제안 방법
- Fig. 1은 부반응을 최소화 하며 높은 강도를 발현시키는 열처리 온도 구간을 확인하기 위하여 다양한 온도인 70℃, 100℃, 140℃에서 1시간 동안 열처리 한 시편의 강도를 비교하였다. 시험 샘플인 0.
- Piston-on-3-ball 이축 응력 측정장치를 이용하여 열처리 공정 조건과 경화제, 바인더 조성 변화에 따른 굽힘 강도에 미치는 영향을 고찰하였다. 굽힘 강도의 재현성 분석을 위해 통계 확률 해석인 weibull modulus 계산을 통해 강도 데이터의 신뢰성 분석을 진행하였다.
- 사형 주조 3D 프린팅용 소재인 경화제와 바인더를 이용하여 모래 시편을 제작한 뒤 각각의 조성 변화 및 열처리 조건 변화에 따른 시편의 굽힘강도를 piston-on-3-ball 시험을 통하여 확인하였다. 먼저 열처리 조건이 시편에 미치는 영향을 살펴본 결과 다음의 결과를 얻을 수 있었다.
- 사형 주조용 주형 강도에 대한 경화제 영향을 측정하기 위하여 다양한 조성인 0.15, 0.2, 0.25, 0.40 wt%로 변화시켜 시편을 제작하였다. 바인더의 양은 2.
- 경화제와 바인더의 영향을 확인하기 위하여, 100 ℃에서 1시간인 동일한 열처리 조건에서 펠렛 시편을 제작하였다. 일정한 2 wt% 바인더 조건에서 모래 질량 대비 다양한 경화제 조성인 0.15 wt%(0.15A2B), 0.20 wt% (0.2A2B), 0.25 wt%(0.25A2B), 0.40 wt%(0.4A2B)를 각각 첨가하였고, 일정한 0.25 wt% 경화제가 첨가된 조건에서 다양한 바인더 조성인 2.00 wt%(0.25A2B), 3.00 wt%(0.25A3B), 4.00 wt%(0.25A4B)가 첨가된 시편을 제작하여 각각 강도에 대한 경화제와 바인더의 영향을 연구하였다.
대상 데이터
- 열처리 온도 및 시간의 영향을 확인하기 위하여 0.15 wt% 경화제 및 2.00 wt% 바인더가 첨가된 펠렛 시편 (0.15A2B)을 제작하였다. 열처리 온도의 영향은 다양한 온도인 70 ℃, 100 ℃, 140 ℃ 에서 1시간 일정한 열처리 시간이 적용되었고, 또한 열처리 시간의 영향은 일정한 100 o C 열처리 온도에서 다양한 열처리 시간 1 h, 3 h, 24 h, 72 h을 통해 경화된 샘플의 강도를 측정하였다.
- 주물사는 독일 voxeljet사의 grain size가 190 µm인 GS19 sand를 사용하였으며, 경화제는 aylsulfonic acids 가 주성분인 ativator(VX-2C/8)을 사용하였고, 바인더는 후란계 furfuryl alcohol resin(FA)이 주성분인 binder(VX2C Type B) 사용하여 시편을 제작하였다. 열처리 온도, 시간, 경화제와 바인더의 조성에 따른 강도에 미치는 영향을 확인하였다.
데이터처리
- 2가 적용되었고, r1은 시편 지지링 볼의 반경, r2는 피스톤의 반경, r3는 시편의 반경, h는 시편의 두께이다. Weibull modulus 를 계산하여 각 경화제 조성에서 시편들의 강도에 대한 신뢰성을 비교하였다.
- Piston-on-3-ball 이축 응력 측정장치를 이용하여 열처리 공정 조건과 경화제, 바인더 조성 변화에 따른 굽힘 강도에 미치는 영향을 고찰하였다. 굽힘 강도의 재현성 분석을 위해 통계 확률 해석인 weibull modulus 계산을 통해 강도 데이터의 신뢰성 분석을 진행하였다.
- 그에 비하여 사형 주조용 주소재인 바인더와 경화제 조성에 따른 강도와 신뢰성에 대한 연구는 미비하여 주형 강도 재현성 부족으로 실제 주조 공정에 적용하는데 한계가 있다. 따라서 본 연구에서 강도의 신뢰성을 평가하는데 주로 사용되는 Weibull modulus를 바탕으로 사형 주조 3D 프린팅에서 중요한 소재인 경화제와 바인더의 조성 변화 및 열처리 공정 변화에 따른 주형의 굽힘 강도(flexural strength)를 살펴보고, 측정된 시편들의 강도 값을 Weibull plot으로 나타내어 신뢰성 평가를 진행하였다.5,6)
이론/모형
- 강도 측정을 위한 시편은 두께가 2.0 mm이고 지름이 25.0 mm인 디스크형 시편을 제작할 수 있는 목형을 이용하여 각 조건에서 시편을 제작하였으며, piston-on-3- ball7,8) 시험법을 이용하여 시편의 강도를 측정하였다. 강도 측정은 만능 재료 시험기를 이용하였으며, 하중 인가 속도는 ASTM표준 그래프를 참고하여 0.
- 3D프린팅은 CAD를 이용하여 제품을 디자인한 후 STL파일로 변환하여 바로 프린팅 하는 방식으로 크게 보면 압출, 광중합, 분사 방식으로 나눠 볼 수 있다. 바인더를 이용하여 주형을 제작하는 사형 주조는 경화제(actviator)가 코팅된 모래를 블레이드를 이용하여 밀고 바인더를 분사해 한 층씩 경화시켜 구조물을 제작하는 바인더 젯팅(binder jetting) 방식의 3D 프린터를 사용한다. 이러한 바인더 젯팅 방식의 3D 프린터를 이용하면 목형 제작이 필요 없어 공정이 매우 간단해지고, 짧은 시간 내에 복잡한 형상의 중자를 제작할 수 있으며, 또한 주형 및 중자만 따로 제작하여 기존의 사형 주조 방식에도 적용할 수 있는 등 다양한 이점이 있다.
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