[보고서]항공·자동차산업의 탄소섬유복합재(CFRP) 가공용 회전공구 및 초고경질 나노박막 합성기술 개발

이인우

보고서 정보

주관연구기관

한국진공

연구책임자

이인우

참여연구자

안동길 , 박영군 , 정윤철 , 권현규 , 고성림

보고서유형

최종보고서

발행국가

대한민국

언어

한국어

발행년월

2020-07

과제시작연도

2019

주관부처

산업통상자원부
Ministry of Trade, Industry and Energy

등록번호

TRKO202200005621

과제고유번호

1415162834

사업명

시스템산업미래성장동력(R&D)

DB 구축일자

2022-07-30

키워드

CFRP가공용 공구.초경합금.다이아몬드 코팅.다이아몬드 코팅장치.밀착력 측정장치.소결 다결정 다이아몬드.우주항공.조립분말 유동도.WC 분말 산소농도.공구소재 경도.공구 소재 항절력.공구소재 파괴인성.공구 표면조도.CFRP.

표 개발 진행도
표 과제 개발 목표
표 과제 개발 목표 AS-IS TO-BE 분석
표 개발 기술의 정량적 목표 항목
표 CFRP의 절삭 특성
표 CFRP 각 layer별 fiber 각도와 드릴가공 시 공구마모 전후 각 단면 형상
표 시판되는 CFRP용 드릴 예와 CFRP용 드릴 특허 형상 예 (출원번호 10-2011-0096413)
표 CFRP용 드릴 형상 측정 예
표 공구 마모량 분석의 예 (Modeling and tool wear in drilling of CFRP)
표 드릴가공 시 가공 구멍의 수에 따른 출구부 모서리부의 형상 변화 관찰의 예
표 Delamination Factor 측정 결과 예시
표 Thurst Force 측정 결과의 예
표 CFRP의 엔드밀 가공시 발생하는 Delamination의 형상
표 시판되는 CFRP용 엔드밀과 CFRP용 엔드밀 특허의 예 (출원번호 10-2015-7009158)
표 제작한 다이아몬드 코팅 엔드밀 성능 시험 평가에 의한 최적형상 재설계
표 산화, 탄화 원료분말 주사전자현미경 사진
표 tungsten oxide 환원 및 탄화 공정
표 WC grain size 및 Co 함량 에 따른 공구 마모
표 WC 사이즈별 합금 조직
표 공구 소재 합금 개발 과정
표 CFRP용 다이아몬드 코팅 공구 마모 및 CFRP가공 hole 양상
표 나노다이아몬드 코팅용 HF-CVD diagram(계획도)
표 전처리 공정 순서도
표 선행 test장비
표 입체도 및 평면배치도
표 가스배기부, 진공배기부, 냉각수부
표 2차년도 참여기관별 기술개발 체계도
표 Wet blasting 계획도
표 전처리 시스템 컨셉
표 전처리 시스템 설계
표 약품에 따른 에칭 이미지
표 다이아몬드 코팅 전처리 공정
표 다이아몬드코팅 공구 시제품 (Drill)
표 다이아몬드코팅 공구 시제품 (End mill)
표 부착력 측정 장비 정면도 및 측면도
표 부착력 측정 장비 평면도 및 삼각투상도
표 CFRP 가공용 회전공구의 초경질 나노박막 박막임계력 측정 메커니즘
표 Design of Adhesive Force Evaluation
표 평가방법 정량화
표 PCD 가공 방식의 예, 좌-EDM, 우-Laser[출처:Walter, EWAG]
표 3D Simulation 접목한 Laser 가공의 예
표 Angular Flute Angle의 예, 좌-Left, 중-Straight, 우-Right
표 PCD Ball End mill의 설계에 따른 절삭성 검증 샘플
표 Axial Flute Angle의 예, 좌-Straight, 우-Right
표 3차년도 PCD 볼 엔드밀의 선진S사 공구와의 절삭특성 여유면 마모 평가 결과
표 3차년도 PCD 볼 엔드밀의 절삭수명 공인시험 결과
표 Edge Sharpness 측정 장비
표 3차년도 PCD 볼 엔드밀의 Edge Sharpness 공인인증 결과
표 CFRP 특성 분석 구조
표 CFRP의 탄소섬유 파단 형태
표 CFRP용 드릴의 절삭력과 박리형태 연관성
표 나노 다이아몬드 코팅 초경 엔드밀 및 코팅층 사진
표 CFRP 가공공정 및 공구형상
표 CFRP용 공구의 마모패턴
표 다이아몬드 코팅층 특성
표 다이아몬드 코팅 공구의 마모 패턴
표 다이아몬드 코팅종류(a: NCD, b: MCD)에 따른 밀착력 결과
표 가공목적(좌: 정삭, 중: 중삭, 우: 황삭)에 따른 NCD 코팅특성 및 마모 모식도
표 CFRP 가공 성능평가 장치
표 fiber 각도에 따른 가공 품질 결과
표 CFRP 절삭조건에 따른 절삭 표면품질
표 에칭에 따른 초경합금 표면 미세조직
표 개발 기술의 정량적 목표 항목
표 Delamination 형성 측정
표 드릴 형상별 Thrust Force 측정
표 드릴의 형상별, 이송량 별 Thrust Force 측정 논문
표 절삭 가공 시 Thrust Force 측정을 단계별로 분석한 논문
표 (a)일반 드릴, (b)180˚스탭 드릴, (c)90˚스탭 드릴 (d)T300(Woven), (e)T700(UD)
표 CFRP 및 드릴의 종류에 따른 절삭특성
표 CFRP 및 드릴의 종류에 따른 Delamination Factor
표 Delamination의 생성 원리와 Thrust Force와의 관계
표 90˚스탭 드릴, 이송량 0.35mm/rev, 스핀들 속도 800rpm 실험결과 ((좌)Woven(T300), (우)Unidirection(T700)
표 논문에 실린 다양한 형상의 드릴들
표 각 공구 제조사별 CFRP용 드릴의 형상
표 대구텍 드릴의 정면 형상
표 이송량에 따른 드릴의 입·출구면의 Delamination Factor 분석
표 자체적으로 설계한 CFRP용 드릴의 형상 및 시제품
표 자체 제작한 드릴의 Delamination factor 측정 및 비교
표 자체 제작한 드릴의 Thrust force 측정 및 비교
표 CFRP의 드릴가공 시 Delamination 발생 메커니즘
표 CFRP 가공 시 Uncut Fiber의 발생 메커니즘
표 설계한 step 드릴의 형상
표 제작한 step 드릴의 요소별 수치
표 코어 직경에 따른 절삭 성능 비교 실험 결과
표 코어 직경에 따른 delamination factor 비교
표 Step 앵글에 따른 절삭 성능 비교 실험 결과
표 Step angle에 따른 delamination factor 비교
표 회전속도에 따른 절삭 성능 비교 실험 결과
표 회전속도에 따른 delamination factor 비교
표 이송 속도에 따른 절삭 성능 비교 실험 결과
표 분당 이송량에 따른 Delamination factor 비교
표 Step 드릴의 절삭 매커니즘
표 문헌조사를 통한 엔드밀 실험 데이터
표 선진사의 엔드밀 제품
표 대구텍의 엔드밀(좌측 상단부터 시계방향으로 RCOM, RCFE, RRFE, RDCF)
표 대구텍의 엔드밀의 실험 결과 (좌측 상단부터 시계방향으로 RCOM, RCFE, RRFE, RDCF)
표 라우터 형상 엔드밀
표 설계한 라우터의 요소별 수치 (직경 10mm 기준)
표 Rake angle에 따른 성능 실험 결과(CFRP:UD T700, 절삭속도: 100m/min, 회전당 이송량:: 1mm/rev)
표 재설계한 스탭 드릴의 요소별 수치
표 절삭성 향상을 위해 재설계한 드릴의 성능 실험 결과의 예(CFRP: T700 UD+12k T300,절삭속도: 100m/min, 회전당 이송량: 0.5mm/rev)
표 드릴 실험 결과의 입구부분(1,2번 재설계한 드릴, 3번 O사의 대거 드릴, 4,5번 S사의 드릴)
표 드릴 실험 결과의 출구부분(1,2번 재설계한 드릴, 3번 O사의 대거 드릴, 4,5번 S사의 드릴)
표 대구텍에서 드릴 제작을 위해 작성된 도면
표 엔드밀 4종 형상 스캔
표 각 엔드밀의 가공 실험 결과
표 공구 이송방향에 따른 표면조도
표 각 공구의 절삭력 측정 결과
표 재설계 한 엔드밀
표 가공방법에 따른 CFRP 가공 mechanism
표 엔드밀 형상과 가공방법에 따른 절삭 결과(uncut fiber)
표 가공방법에 따른 절삭 결과(표면조도, 회색표시가 up-milling이 상대적으로 안 좋은 부분)
표 나노 스캔을 통한 표면 분석 결과(빨간 네모부분이 엔드밀의 이송과 90°인 층, 파란부분은 0°인 층)
표 Down-milling의 절삭력 측정 결과(5>6>3>2>4>1)
표 엔드밀 실험 결과의 출구부분(1,2번 재설계한 엔드밀, 3번 H사의 엔드밀, 4,5번 O사의 엔드밀, up-milling)
표 해외 선진사 엔드밀과 자체 설계한 엔드밀의 절삭력 비교(0°,90°적층 된 T700 UD CFRP, 스핀들 스피드 3000RPM, 분당 이송량 150mm/min, 다운밀 결과)
표 표면조도 측정 결과(0°,90°적층 된 T700 UD CFRP, 스핀들 스피드 3000RPM, 분당 이송량 150mm/min, 다운밀 결과)
표 0°로만 적층된 CFRP를 down-milling한 실험 결과
표 O사의 공구로 0°로만 적층된 CFRP를 down-milling한 절삭력 측정 결과
표 UD T700 CFRP + Woven T300 3K CFRP skin과 UD T700 CFRP + Woven T300 12K CFRP skin에서의 입출구의 가공 결과
표 UD T700 CFRP + Woven T300 3K CFRP skin과 UD T700 CFRP + Woven T300 12K CFRP skin에서의 delamination factor
표 UD T700 0° 적층, UD T700 0°/90° 적층에서의 입출구 가공 결과
표 UD T700 0° 적층, UD T700 0°/90° 적층에서의 delamination factor
표 다이아몬드 코팅 성능, 수명 평가를 위해 제작된 다이아몬드 코팅 좌 80°, 우 60° 스탭 드릴
표 다이아몬드 코팅 60°, 80° 스탭 드릴의 마모 비교 사진
표 각 공구의 다이아 몬드 코팅 조건과 막 두께
표 각 공구의 다이아몬드 코팅 막 두께
표 공구의 인선부 직경에 따른 절삭력 변화 시뮬레이션 예와 결과
표 코팅에 따른 절삭력 비교 그래프(스탭부 기준 2<1<3<4=carbide<5)
표 드릴의 마모 진행 과정
표 각 드릴의 플랭크 마모의 두께
표 각 공구의 가공 길이에 따른 플랭크 마모 두께와 Delamination Factor
표 공구의 마모의 진행에 따른 delamination과 uncut fiber의 발생
표 1번 드릴과 5번 드릴의 마모 후 절삭력 분석
표 공구 #2와 #4의 표면조도 비교
표 초경 드릴과 다이아몬드 코팅 드릴의 마모 비교
표 절삭력의 3D 모델링
표 스탭 드릴 형상의 3D 모델링
표 코어 직경이 5mm, 스핀들 속도가 1500rpm인 경우 절삭력의 예측 값과 실제 값 (좌 0.02mm/rev, 우 0.04mm/rev)
표 DCB 테스트의 실험 개략도
표 실제 진행한 DCB 테스트
표 DCB 테스트의 실험 결과
표 스탭드릴, 일반 드릴의 실험 결과와 실제 측정된 절삭력
표 드릴의 선단각에 따른 마지막층에 미치는 영향의 차이
표 마지막 층에 가해지는 압력의 계산 방법
표 Delamination이 발생한 경우의 임계압력과 실제 압력간의 관계
표 Delamination이 발생하지 않은 경우의 임계압력과 실제 압력간의 관계
표 외산 공구와 절삭력 비교 결과
표 엔드밀의 내접원 비교(가. O사 공구, 나.1번 엔드밀, 다. 4번 엔드밀)
표 재설계 한 엔드밀
표 엔드밀 표면 조도 측정 결과의 예
표 표면 조도 측정 결과
표 다이아몬드 코팅 엔드밀(상), 비코팅 초경엔드밀(하)
표 비코팅 공구, 다이아몬드 코팅 공구의 절삭 성능 비교
표 다이아몬드 코팅과 비코팅 엔드밀의 절삭력의 변화
표 사용한 다이아 몬드 코팅 엔드밀
표 5번 공구의 다이아몬드 코팅 후 수명 실험 결과(1번 다이아몬드 코팅 엔드밀)
표 6번 공구의 다이아몬드 코팅 후 수명 실험 결과(2번 다이아몬드 코팅 엔드밀)
표 5번 공구의 CH4 분율 2%, 막두께 8.5μm 다이아몬드 코팅 실험 결과(3번 다이아몬드코팅 엔드밀)
표 산화 텅스텐 (WO3) 분말 환원 조건
표 환원된 텅스텐 분말의 물리적 특성
표 환원된 텅스텐 분말의 SEM 이미지
표 텅스텐 분말의 탄화 조건
표 탄화 텅스텐 분말의 물리적, 화학적 특성
표 탄화 텅스텐 분말의 SEM 이미지
표 탄화 텅스텐 분포도
표 사이즈별 탄화 텅스텐 분말의 물리적 특성
표 사이즈별 탄화 텅스텐 분말의 화학적 특성
표 탄화텅스텐 사이즈, 밀링시간 및 소결온도 별 합금의 물리적 특성
표 탄화텅스텐 사이즈, 밀링시간 및 소결온도 별 합금조직 A. WC09, B. WC13, C. WC23, D. WC40
표 합금에 사용된 탄화 텅스텐 분말의 물리적 특성
표 합금에 사용된 탄화 텅스텐 분말의 화학적 특성
표 Co 함량에 다른 합금의 물리적 특성
표 Co함량, 밀링시간 별 합금조직 A. Co 5%, B. Co 6%, C. Co 8%, D. Co 10%, E. Co 12%
표 CO 5~12% 합금의 SEM 이미지
표 스프레이 드라이어 테스트 조건
표 조립분말 회수율
표 조립분말 실체 현미경 이미지
표 조립분말 파우더 분포도
표 경재사 공구의 외관 실체 현미경 이미지
표 경재사 공구의 화학, 물리적 특성
표 경쟁사 공구의 연마 단면 광학현미경 이미지
표 경재사 공구의 탑부분 SEM 이미지
표 경쟁사 공구 표면 SEM 이미지 A. Sandvik 854.1-0635-05-A0/N20C, B. Mitsubishi MCS02510X3DB/DD2010, C. SECO SD205A-6.38-34-8R1-C1, D. SECO 860100ZB8.0-DURA
표 경쟁사 공구의 파단면 SEM 이미지 A. Sandvik 854.1-0635-05-A0/N20C, B. Mitsubishi MCS02510X3DB/DD2010, C. SECO SD205A-6.38-34-8R1-C1, D. SECO 860100ZB8.0-DURA
표 경쟁사 공구의 연마 단면 SEM 이미지 A. Sandvik 854.1-0635-05-A0/N20C, B. Mitsubishi MCS02510X3DB/DD2010, C. SECO SD205A-6.38-34-8R1-C1, D. SECO 860100ZB8.0-DURA
표 경재사 공구의 Raman 분석 A. Sandvik 854.1-0635-05-A0/N20C, B. Mitsubishi MCS02510X3DB/DD2010, C. SECO SD205A-6.38-34-8R1-C1, D. SECO 860100ZB8.0-DURA
표 경쟁사 앤드밀의 형상 분석
표 Carbonization condition of tungsten powder
표 Physical property of tungsten carbide by carbonization
표 Chemical property of tungsten carbide by carbonization
표 SEM image of tungsten carbide powder by carbonization (Test B 1~4)
표 Test condition of Spray dryer
표 Flow rate and other physical properties for RTP
표 Flow rate for RTP
표 OM image of RTP TEst No. 1 ~4
표 Physical properties of alloy by WC size and Co contents
표 OM image of alloy by(sample No.1~5)
표 OM image of cutting edge (No.1~4)
표 Test condition of grinding for carbide tool
표 AFM image of carbide tool
표 Measuring of surface roughness by edgemaster (No1~4)
표 Cutting test for CFRP type
표 CFRP hole and tool condition (No1.~5)
표 CFRP type for cutting
표 Cutting test for 5 types of alloy
표 CFRP hole and tool condition(No1.~5)
표 Cutting test for sintering temperature test
표 Physical properties of tested tools
표 EBSD image of tested tools
표 Grain size of tested tool by EBSD diameter date
표 Grain size of tested tool by EBSD diameter date
표 Cutting test for each tools
표 CFRP hole and tool condition(Uncoating, PVD, Diamond1, Diamond2)
표 Tool wear image after 6m machining
표 Tool wear after 6m machining
표 텅스텐 분말의 탄화 조건
표 텅스텐카바이드 분말의 물리적 특성
표 WC분말의 화학적 특성
표 WC 분말의 SEM 이미지(왼쪽부터 Test. 1~3)
표 스프레이 드라이어 시험 조건
표 조립분말의 물리적 특성
표 조립분말의 유동도 측정 결과
표 조립분말의 실체현미경 이미지 (왼쪽부터 1~3)
표 다양한 탄화 카바이드 크기에 따른 합금의 물리적 특성
표 합금의 조직현미경 이미지(왼쪽부터sample A~D)
표 합금의 SEM 이미지(왼쪽부터sample A~D)
표 합금의 EBSD D50 결과
표 개발된 합금으로 제작된 CFRP가공용 드릴(왼쪽), 앤드밀(오른쪽)
표 공구 연삭 시험조건
표 연삭휠 속도 감속에 따른 공구 표면 상태 및 chipping 크기 비교
표 연삭휠 피드 감속에 따른 공구 표면 상태 및 chipping 크기 비교
표 공구 표면 조도 측정 (위쪽부터 A~C)
표 개발된 합금 소재를 이용하여 제작된 드릴공구에 대한 CFRP 절삭 시험결과
표 CFRP가공 후 공구 이미지(왼쪽부터 평균입도 0.8, 1.3, 2.3, 4.2㎛ WC를 이용하여 제작된 공구)
표 CFRP 가공 후 홀 이미지(왼쪽부터 0.8, 1.3, 2.3, 4.2㎛ 텅스텐카바이드를 이용하여 제작된 공구를 사용하여 가공한 CFRP 홀 품질)
표 소결조건별 합금조직의 물리적 특성
표 소결조건별 합금조직의 조직(상단1.3㎛ 왼쪽부터 오른쪽(1~3), 하단2.3㎛ 왼쪽부터 오른쪽(1~3))
표 소결조건별 합금조직으로 제작한 공구의 수명시험 결과
표 1차 시제품 Drill의 외관
표 Reference 공구와 시제품 1차 Drill의 표면 조직 SEM이미지
표 시제품 1차 Drill의 단면 SEM 이미지
표 1차시제품 CFRP 가공 시험 결과(Drill)
표 CFRP가공 후 공구의 마모 사진
표 CFRP가공 후의 CFRP 홀 상태
표 1차 시제품 End mill의 외관
표 Reference 공구와 시제품 1차 앤드밀의 표면 조직 SEM이미지
표 시제품 1차 End mill의 단면 SEM 이미지(왼쪽 3K, 오른쪽15K배율)
표 1차시제품 CFRP 가공 시험 결과(End mill)
표 CFRP가공 후 공구의 마모 사진(End mill)
표 CFRP가공 후의 CFRP 측면 상태
표 2차 시제품 Drill 의 외관
표 Reference 공구와 시제품 2차 Drill 의 표면 조직 SEM이미지
표 시제품 2차 Drill 의 단면 SEM 이미지 (왼쪽부터 Reference, 시제품2차 CH4 1.3% 1.5%, 1.7%)
표 2차시제품 CFRP 가공 시험 결과(Drill)
표 CFRP가공 후 공구의 마모 사진
표 CFRP가공 후의 CFRP 홀 상태
표 2차, 3차, 4차 시제품 End mill의 외관
표 Reference 공구와 시제품 2차, 3차 4차 edmill의 표면 조직 SEM이미지
표 End mill 단면 SEM 이미지(왼쪽부터 Reference, 2차, 3차, 4차 시제품)
표 3차시제품 CFRP 가공 시험 결과(End mill)
표 CFRP가공 후 공구의 마모 사진(End mill)
표 Drill 인증시험 시제품 CFRP 가공 시험 결과(KTL 입회시험)
표 CFRP가공 후 공구의 마모 사진(인증시험 시제품Drill)
표 CFRP가공 후의 CFRP 홀 상태
표 인증시험 시제품 CFRP 가공 시험 결과(End mill)
표 CFRP가공 후 공구의 마모 사진(인증시험 시제품 End mill)
표 확산반응에 따른 WC 탄화과정 요약
표 프리미엄급 원료분말 개발을 위한 산소농도 저감시험
표 원료분말의 양산화를 위한 탄화시험
표 WC 분말의 양산화 품질검증 시험
표 개발된 WC 양산화 분말 lot C-91262, C-95032 샘플 사진예
표 WC-Co 혼합분말의 Ball milling 조건설정 시험
표 구상화 분말의 유동도 개선 양산시험
표 High flow rate(22sec) 구상화
표 공구용 소결합금 시제품과 양산화 제품의 물성값 분석
표 공구용 양산품 소결합금의 Hc, Ms 변화
표 공구 연삭 시험조건
표 연삭휠 속도 및 피드 감소에 따른 공구 표면 상태 및 chipping 크기 비교
표 최종 공구 시제품의 표면 조도 측정
표 시제품 드릴의 외관
표 1차 시제품 드릴의 표면 조직 SEM이미지
표 1차 시제품 드릴의 단면 SEM 이미지
표 1차시제품 드릴의 CFRP 가공 시험 결과
표 1차 시제품 드릴을 이용한 CFRP가공 후 공구마모 사진
표 352 절삭가공 후의 CFRP 출구부 홀 상태
표 CFRP 가공 전반부의 내부 가공면 상태
표 2~4차 시제품 드릴의 외관
표 2~4차 시제품 드릴의 표면 조직 SEM이미지
표 2~4차 시제품 드릴의 단면 SEM이미지
표 2~4차 시제품 드릴의 CFRP 가공 시험 결과
표 2~4차 시제품 드릴을 이용한 CFRP가공 후 공구마모 사진
표 5차 시제품 드릴의 외관
표 5차시제품 드릴의 CFRP 가공 시험 결과
표 차 시제품 드릴을 이용한 CFRP가공 후 공구마모 사진
표 6차 시제품 드릴의 외관
표 6차시제품 드릴의 CFRP 가공 시험 결과
표 6차 시제품 드릴을 이용한 CFRP가공 후 공구마모 사진
표 절삭가공 후의 CFRP 출구부 홀 상태
표 1차 시제품 엔드밀의 외관

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