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제안 방법
- 내부에서 플라즈마 전력은 10 kW로 고정하였으며 온도는 대략 10,000K 이상으로 유지된다. 구상화 분말의 제조 수율을 높이기 위해 플라즈마 발생 영역과 분말 공급부의 거리를 11 cm에서 12 cm로 증가시켰다. 분말이 플라즈마를 만나게 되면 빠르게 표면이 녹아 형상이 구형으로 변하며 자유 낙하를 통해 collector에 모이게 된다.
- 본 연구에서는 불규칙 형상의 상용 칠보 유약 분말에 RF 플라즈마 공정을 적용하여 구형 유약 분말을 제조하였다. 구형 유약 분말의 입도, 형상, 조성, 색 특성, 유동도 등을 불규칙 다각형 유약 분말(상용 분말)과 비교 분석하였다. 레이저를 이용한 적층 제조의 한 종류인 PBF(powder bed fusion) 공정으로 구형 유약 분말을 사용하여 간단한 구조물을 제조하였고, 이를 통해 칠보 공예 제품의 제조에 적층 제조 공정이 적합한 지를 고찰하였다.
- 그림 4와 같이 45 μm 이하, 45~106 μm, 106~212 μm으로 분급하여 분말의 크기 별로 SEM 이미지를 통하여 유약 분말의 형상 및 크기를 확인하였다.
- 다만 그림 5 (d) 45μm 이하 용융 시편이 살짝 옅은 색을 띄었기 때문에 정밀한 분석을 위해 분광광도계를 활용하여 파장의 영역을 확인하였다.
- 구형 유약 분말의 입도, 형상, 조성, 색 특성, 유동도 등을 불규칙 다각형 유약 분말(상용 분말)과 비교 분석하였다. 레이저를 이용한 적층 제조의 한 종류인 PBF(powder bed fusion) 공정으로 구형 유약 분말을 사용하여 간단한 구조물을 제조하였고, 이를 통해 칠보 공예 제품의 제조에 적층 제조 공정이 적합한 지를 고찰하였다.
- 그러나 상용 칠보 유약 분말은 분쇄 공정에 의해 제조되어 불규칙한 다각형의 형상을 가지므로 유동도가 낮다. 본 연구에서는 RF 플라즈마 처리를 이용하여 불규칙한 다각형 형상의 칠보 유약 분말을 구상화하였고, 기존 상용 분말과의 물성을 비교하였다. 또한 106~212 μm 크기의 구형 유약 분말을 이용하여 간단한 3차원 구조물을 제작함으로써 칠보 공예에 적층 제조 공정이 적용 가능함을 확인하였다.
- 분말의 유동도를 측정하기 위해 유약을 3가지 입도로 분급하였다. 그림 4와 같이 45 μm 이하, 45~106 μm, 106~212 μm으로 분급하여 분말의 크기 별로 SEM 이미지를 통하여 유약 분말의 형상 및 크기를 확인하였다.
- 분말의 형상과 입도를 확인하기 위해 주사전자현미경(IT-300, Jeol, Japan)과 레이저 입도 분석기(LS133 20, Beckman Coulter, USA)의 건식 모듈을 사용하였다. 조성과 색 특성을 확인하기 위해 X-ray 형광분석기(XRF-1800, SHIMADZU, Japan)와 자외/가시선 분광광도계(V-670, JASCO, Japan)를 사용하여 분석하였다.
- 실제 PBF 공정 실험은 laser power는 80W, laser scan speed는 60 mm/s에서 진행하였으며, hatch space는 0.2 mm, laser spot size는 50 μm, layer thickness는 70μm로 설정하였다.
- 유약 분말 구상화 처리는 RF thermal plasma system(PL-35LS, TEKNA, Canada)을 사용하였다. 유약 원료 분말(2000 series 2850, Thompson enamel, USA)은 불규칙 다각형의 빨간색 유약 분말을 사용하였다.
- 적층공정에 활용될 분말의 최적 입자 크기를 선별하기 위해서 325, 150, 65 mesh(45, 106, 212 μm) 실험용 체(sieve)를 이용하여 분급하였다.
- 분말의 형상과 입도를 확인하기 위해 주사전자현미경(IT-300, Jeol, Japan)과 레이저 입도 분석기(LS133 20, Beckman Coulter, USA)의 건식 모듈을 사용하였다. 조성과 색 특성을 확인하기 위해 X-ray 형광분석기(XRF-1800, SHIMADZU, Japan)와 자외/가시선 분광광도계(V-670, JASCO, Japan)를 사용하여 분석하였다. X-ray 형광분석기는 filament에서 나온 전자가 시료에 충돌하여 발생한 특정 형광 X선의 파장을 탐지하여 구성 성분을 분석하는 장비이다.
대상 데이터
- 구조물은 간단한 격자 모양과 재료연구소의 약자인 ‘KIMS’를 약 1.5 mm 높이로 제작하였다.
- 본 연구에서는 불규칙 형상의 상용 칠보 유약 분말에 RF 플라즈마 공정을 적용하여 구형 유약 분말을 제조하였다. 구형 유약 분말의 입도, 형상, 조성, 색 특성, 유동도 등을 불규칙 다각형 유약 분말(상용 분말)과 비교 분석하였다.
- 분말을 100~110°C에서 1시간 건조시켰으며 측정 시 회당 25g의 분말을 사용하였다.
- 적층공정에 활용될 분말의 최적 입자 크기를 선별하기 위해서 325, 150, 65 mesh(45, 106, 212 μm) 실험용 체(sieve)를 이용하여 분급하였다. 유약 분말과의 접촉 및 결합성을 좋게 하기 위해 베이스 기판은 고순도의 알루미나 디스크를 사용하였다. 적층 제조 장비(Mlab cusing, GE Additive, USA)는 laser power는 최대 100W까지 상승 가능하고, 부품 제작 부피가 90 × 90× 80 mm3(x, y, z)이다.
- 유약 분말 구상화 처리는 RF thermal plasma system(PL-35LS, TEKNA, Canada)을 사용하였다. 유약 원료 분말(2000 series 2850, Thompson enamel, USA)은 불규칙 다각형의 빨간색 유약 분말을 사용하였다. 그림 1은 유약 분말 구상화 처리에 사용된 RF 플라즈마 장비의 공정 모식도이다.
- 입자 크기, 형상에 따른 유동도 및 파장에 따른 반사도 데이터를 기준으로 3차원 적층제조 공정을 적용할 유약 분말을 106~212 μm 크기의 구형 유약 분말로 선택하였다.
- 적층 제조 공정에 사용한 소재는 106~212 μm 크기의 구형 빨간색 유약 분말이다.
이론/모형
- 분말의 구상화 처리 전 후 흐름성의 변화를 측정하기 위해 ‘MPIF(Metal Powder Industries Federation) Standard 03’ 규격인 Hall flowmeter를 사용하였다[16].
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