[논문]3D 프린팅을 이용한 해수분사용 노즐 시제품 개발의 가능성 연구

윤석태; 박종천; 조용진

doi:10.5762/kais.2021.22.3.51

3D 프린팅을 이용한 해수분사용 노즐 시제품 개발의 가능성 연구
A Feasibility Study of Seawater Injection Nozzle Prototype Development by Using 3D Printing 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.3, 2021년, pp.51 - 57

윤석태 (동의대학교 함정적외선신호연구소) , 박종천 (부산대학교 조선해양공학과) , 조용진 (동의대학교 조선해양공학과)

초록
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함정의 해수냉각 시스템은 화생방전에 의한 유해물질의 세척과 선체 외부의 적외선 신호를 저감하기 위해 설치된다. 시스템은 압력펌프, 각종 배관 그리고 해수분사용 노즐로 구성된다. 그리고 해수의 분사 압력과 노즐 종류에 따라 산포 범위가 결정된다. 따라서 해수의 산포 범위를 넓히고 해수냉각 시스템의 효율을 극대화하기 위해서는 적절한 분사 압력의 설정과 노즐의 최적 설계가 필요하다. 금속재료로 만들어지는 해수분사용 노즐은 초기 개발단계에서 금속 틀을 만들고 최적 성능을 만족할 때까지 수정된다. 이는 많은 시간과 비용을 유발하여 노즐개발에 어려움을 일으킨다. 따라서 본 연구에서는 해수분사용 노즐의 초기 개발단계에서 시제품을 생성하기 위한 3D 프린팅 기술의 적용 가능성을 확인하였다. 이를 위해 3D 프린팅 기술을 이용하여 압출 플라스틱 시험편을 제작하고 인장시험을 통해 시험편의 물리적 특성 값을 측정하였다. 그리고 측정 결과를 유한요소해석 조건에 적용해 해수의 분사 압력에 따른 노즐의 변형과 응력을 계산하였다. 유한요소해석 결과 노즐은 최적 압력에서 탄성 범위 내로 변화하였으며, 구조적으로 안정하다고 판단되어 본 연구의 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The seawater cooling system of naval ships is installed to remove the toxic substances generated by CBR (Chemical, Biological, and Radiological) warfare and reduce the infrared signature of naval ships from outside the hull. The dispersion range of the nozzle is determined according to the injection pressure of seawater and the nozzle type. Therefore, it is necessary to select the appropriate injection pressure and design the optimal nozzles to increase the seawater dispersion area and maximize the efficiency of the cooling system. In this study, the applying feasibility of 3D printing technology to produce an injection nozzle for the seawater cooling system was examined. To this end, the extruded plastic specimens were fabricated by 3D printing, and the physical properties of the specimens were estimated through tensile testing. After this, the strain and stress of the nozzle as a function of the pressure were simulated by applying the estimated results to the finite element analysis. The finite element analysis results showed that the nozzle remained within the elastic range at the optimal pressure. The nozzle was estimated to be structurally stable, and the possibility of this study was confirmed.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Sculpture condition of 3D print
그림 Fig. 1. Test piece
그림 Fig. 2. Tension test of plastic specimen
그림 Fig. 3. 3D model of type-II nozzle
표 Table 2. Sculpture condition of test piece
그림 Fig. 4. Element convergence of nozzle strain
표 Table 3. Statistical result of tension test
그림 Fig. 5. Pressure and stress distribution at nozzle
그림 Fig. 6. Strain of nozzle under pressure
표 Table 4. FEM result of type-II nozzle

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 연구의 초기 계획 단계에서 실제 형상을 3D 프린트로 출력하여 인장시험을 수행하고자 하였다. 하지만 시험 기관에서 노즐을 인장시험에 고정하기 위해서는 새로운 고정장치(zig)가 요구됨을 확인하였다.
본 연구는 해수분사용 노즐의 초기 개발단계에서 시제품 출력을 위한 3D 프린팅 기술 활용의 가능성을 확인하기 위한 것이다. 따라서 가능한 출력물이 가능한 높은 강도를 갖을 수 있도록 조건을 설정하였으며, 그 정보를 Table 1에 정리하였다.
본 연구에서는 함정에서 사용 가능한 해수분사용 노즐의 초기 개발 단계에서 3D 프린팅 기술의 적용 가능성을 확인하고자 하였다. 이를 위해 3D 프린트로 출력한 플라스틱의 시험편으로 인장시험을 통해 재료의 물리적 성질을 측정하였다.
본 연구에서는 함정의 해수분사용 노즐의 초기개발 단계에서 시제품 출력을 위한 3D 프린팅 기술의 적절성 여부를 구조적 안정성 측면에서 검토하였다. 이를 위해 본연구에서 제시한 제한적 조건에서 3D 프린팅 기술로 플라스틱 시험편을 제작하고 인장시험을 통해 재료의 물리적 성질을 측정하였다.

가설 설정

하지만 본 연구는 해 수분 사용 노즐의 초기개발 단계에서 3D 프린팅 기술의 적절성을 확인하기 위한 것으로, 인장시험에서 출력물이 최대강도를 갖고 이방성을 배제하기 위해 zig zag 형태로 시험편을 출력하였다. 따라서 본 연구의 FEM의 물체는 등방 균질하다고 가정하여 해석을 수행하였다.
유한요소해석의 물체는 균질 등방성을 가정하였다. 따라서 노즐의 변형과 최대강도는 후크의 법칙(Hooke’s law)에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이후 측정한 결과를 FEM에 사용하여 작용 압력에 따른 변형과 분포 강도를 계산하였다. 이때 물체는 zig zag 형태로 출력된 등방 균질물체로 가정하였으며, 이를 통해 최종적으로 도출된 결론은 다음과 같다.

제안 방법

2. 수렴된 유한 요소의 개수로 작용 압력 변화에 따른 변형과 응력분포의 해석 결과는 후크의 법칙에 따라 선형 변화하였다.
그리고 노즐에 작용하는 압력은 선행연구에서 최적압력으로 결정된 로 설정하였다. 그리고 분할 수 변화에 따른변형을 비교하여 최종 요소의 수를 결정하였으며, 0에서 부터₄^_{까지 0.5}^_{간격으로 압력을 변}화시켜 노즐의 변형을 분석하였다.
하지만 시험 기관에서 노즐을 인장시험에 고정하기 위해서는 새로운 고정장치(zig)가 요구됨을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 압력에 따른 응력과 변형을 확인하기 위해 FEM을 활용하였다.
분할 수에 의존적이다. 따라서 최적 요소의 수를 결정하기 위해 분할 수를 5만에서 40만까지 2배씩 증가 시켜 총 4가지의 경우로 분류하여 해석을 수행하였으며, 이때의 격자는 사면체 요소를 사용하였다. 그리고 노즐에 작용하는 압력은 선행연구에서 최적압력으로 결정된 로 설정하였다.
또한 재료의 탄성률은 응력-변형도 선도에서 선형 탄성 구간을 설정하여 계산한다. 여기서 선형 탄성 구간은 압출 플라스틱의 시험조건에 따라 재료의 신장률이 0.
본 연구에서는 3D 프린트로 출력한 조형물의 물리 성질을 도출하기 위해 압출 플라스틱 시험조건(KS M ISO 527-2)에 맞는 시험편을 제작하였으며, 형상을 Fig. 1에 그리고 시험편의 제원을 Table 2에 정리하였다[11].
기법이다[13]. 본 연구에서는 MSC software사의 Patran과 Nastran 을 사용하여 FEM을 수행하였다.
5에 보였다. 압력은 유체의 충돌 면에 분포하도록 설정하였으며, 유체 흐름의 수직면을 구속조건으로 하였다. Fig.
설정하여 계산한다. 여기서 선형 탄성 구간은 압출 플라스틱의 시험조건에 따라 재료의 신장률이 0.05%에서 0.25%사이로 변형되었을 때의 응력과 변형 관계량을 사용하여 계산하였다.
하였다. 이를 위해 3D 프린트로 출력한 플라스틱의 시험편으로 인장시험을 통해 재료의 물리적 성질을 측정하였다. 이후 측정한 결과를 FEM에 사용하여 작용 압력에 따른 변형과 분포 강도를 계산하였다.
구조적 안정성 측면에서 검토하였다. 이를 위해 본연구에서 제시한 제한적 조건에서 3D 프린팅 기술로 플라스틱 시험편을 제작하고 인장시험을 통해 재료의 물리적 성질을 측정하였다. 이후 측정된 물리 성질은 유한요소해석(Finite Element Method, FEM)에 사용하였으며, 노즐에 작용 압력에 따른 변형과 응력을 계산하고 구조적 안정성을 검토하여 본 연구의 가능성을 확인하였다.
이를 위해 본연구에서 제시한 제한적 조건에서 3D 프린팅 기술로 플라스틱 시험편을 제작하고 인장시험을 통해 재료의 물리적 성질을 측정하였다. 이후 측정된 물리 성질은 유한요소해석(Finite Element Method, FEM)에 사용하였으며, 노즐에 작용 압력에 따른 변형과 응력을 계산하고 구조적 안정성을 검토하여 본 연구의 가능성을 확인하였다.
이를 위해 3D 프린트로 출력한 플라스틱의 시험편으로 인장시험을 통해 재료의 물리적 성질을 측정하였다. 이후 측정한 결과를 FEM에 사용하여 작용 압력에 따른 변형과 분포 강도를 계산하였다. 이때 물체는 zig zag 형태로 출력된 등방 균질물체로 가정하였으며, 이를 통해 최종적으로 도출된 결론은 다음과 같다.
하지만 금속제품은 대량 생산에 앞서 초기개발 단계에서 금속 틀을 만들고 시제품(prototype)을 생성한 후 제품의 성능검증을 수행한다. 만약 이때 제품의 성능이 좋지 경우 금속 틀의 수정이 필요하고 이는 많은 시간과 비용을 유발한다.
따라서 FEM의 물체는 이방 비균질로 해석해야 한다. 하지만 본 연구는 해 수분 사용 노즐의 초기개발 단계에서 3D 프린팅 기술의 적절성을 확인하기 위한 것으로, 인장시험에서 출력물이 최대강도를 갖고 이방성을 배제하기 위해 zig zag 형태로 시험편을 출력하였다. 따라서 본 연구의 FEM의 물체는 등방 균질하다고 가정하여 해석을 수행하였다.

대상 데이터

FEM을 위한 해수분사용 노즐은 선루의 넓은 수직 면과 선체표면에 효과적으로 해수를 분사할 수 있는 Type-II 노즐이다. 이 노즐의 해수 산포 원리는 선내 배관을 흐르는 해수가 노즐에서 분사되어 전면부에 충돌한 후 좌우로 확산되어 선루 및 선체 표면에 액적 상태로 산포되는 것이다.
본 연구에서 사용한 3D 프린트는 Cubicon사의 3DP -310F 모델로 압출 적층방식을 사용하고 제작 가능한 최대크기는 가로, 세로, 높이 각각 24cm*19cm*20cm 이다. 3D 프린트는 조형물을 출력할 때 압출 노즐의 이동 속도, 내부 충전율, 그리고 외벽의 두께 등과 같은 다양한 변수의 조건 값을 설정해야 한다.
KS(Korean industrial Standards)규정에서플라스틱 시험편은 연신율에 따라 속도조건을 달리 하여 시험을 수행한다[11]. 본 연구에서 사용한 PLA재료는 PVC(Poly Vinyl Chloride)와 물리적 성질이 유사하고, PVC의 시험조건(KS M 3401)에서 인장 속도를 5mm/min으로 규정하고 있다. 따라서 본 시험에서의 인장 속도를 5mm/min로 하였다.
인장성능을 보장한다. 본 연구에서는 시험 결과에 중심극한정리의 통계적 근거를 적용하기 위해 30개의시험편을 사용하였으며, 인장시험을 통해 측정한 결과의평균과 표준편차를 Table 3에 정리하였다.
그리고 압출 적층 방식의 3D 프린팅 기술은 유연한 물질을 출력 재료로 사용한다. 본 연구에서는 옥수수 전분에서 추출하여 친환경 수지로 알려진 PLA(Poly Lactic Acid)를 출력 재료로 하였다.
검증된 시험절차가 필요하다. 인장시험은 공인된 시험평가기관에서 수행하였으며, 기관에서는 압출 플라스틱의 인장시험을 위해 INSTRO-5969 시험기를 사용한다. 장비의 최대 인장 속도는 3000mm/ min이고 하중은 50kN까지 설정가능하다.

데이터처리

사용한다. 하지만 본 연구에서는 시험 결과의 신뢰성을 높이기 위해 중심극한정리에 근거한 30개의 시험편을 사용하여 대표 평균값을 산출하였다.

성능/효과

1._{노즐 운용 중 최적 성능 압력(}^_{)에서 변형}해석 결과는 유한 요소의 수에 따라 의존적으로 변화하고 약 20만개에서 수렴하였다.
3. 최적 압력에서 최대 강도는 1.5Mpa로 해석되었다. 이는 인장시험 결과와 비교했을 때 약 1/25의 결과이고 일반적인 동하중 안전계수(5~10배)를 고려하였을 때 구조적으로 안전하다는 것을 알 수 있었다.
4._{동일한 압력에서 최대 변형은}×로 써 인장시험의 최대 신장길이( ≈) 결과와 비교하여 매우 작은 변화임을 알 수 있었다.
유한요소해석의 물체는 균질 등방성을 가정하였다. 따라서 노즐의 변형과 최대강도는 후크의 법칙(Hooke’s law)에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
4에서 유한 요소의 개수가 많아질수록 변형 또한 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 유한 요소의 개수가 약 20만개 일 때 변형이 수렴하는 것을 확인하였으며, 이후 압력변화에 따른 변형과 응력을 계산하기 위한 FEM의 요소 개수를 20만개로 결정하였다.
또한 일반적인 PLA의 밀도(1270^_{)와 탄성계수}(2700Mpa)와 인장시험을 통해 얻은 물리적 성질을 비교하였을 때 큰 차이가 없음을 확인하였다. 이러한 결과는 시험편을 적층 방향과 상관없이 최대강도를 갖을 수 있게 zig zag 형태로 출력하여 나타난 것으로 보인다.
여기에서 사용한 재료의 물리적 성질은 Table 3에 결과를 적용하였으며, Fig.4에서 유한 요소의 개수가 많아질수록 변형 또한 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 유한 요소의 개수가 약 20만개 일 때 변형이 수렴하는 것을 확인하였으며, 이후 압력변화에 따른 변형과 응력을 계산하기 위한 FEM의 요소 개수를 20만개로 결정하였다.
5Mpa로 해석되었다. 이는 인장시험 결과와 비교했을 때 약 1/25의 결과이고 일반적인 동하중 안전계수(5~10배)를 고려하였을 때 구조적으로 안전하다는 것을 알 수 있었다.
이상의 결론을 통해 PLA를 재료로 압출 3D 프린팅기술을 이용하여 출력한 시제품은 구조적으로 안정하다는 것을 확인하여, 본 연구의 가능성을 입증하였다. 하지만 이상의 결론은 강도가 가장 좋은 zig&zag 적층 방법으로 도출된 것이다.
하지만 이상의 결론은 강도가 가장 좋은 zig&zag 적층 방법으로 도출된 것이다. 따라서, 추후 연구에서는 PLA의 적층 방향에 따른 이방 비균질 특성, 노즐과 배관 부분의 결합, 노즐의 적층 방향, 그리고 내부 충전율 등에 대한 연구를 수행할 예정이다.

후속연구

하지만 이상의 결론은 강도가 가장 좋은 zig&zag 적층 방법으로 도출된 것이다. 따라서, 추후 연구에서는 PLA의 적층 방향에 따른 이방 비균질 특성, 노즐과 배관 부분의 결합, 노즐의 적층 방향, 그리고 내부 충전율 등에 대한 연구를 수행할 예정이다.

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N. Moller, S. O. Hansson, J. E. Holmberg, C. Rollenhagen "Handbook of Safety Principles," John Wiley & Sons, 2017

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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