3D프린팅 주형의 표면품질 향상을 위한 도형제 적용기술 연구

2.1 3D프린팅 주형설계 및 제작

본 실험의 도형제 조건 적용에 따른 표면거칠기 평가 및 분석을 위하여 주물 시험편 제작용 주형을 설계하였다.

Fig. 3은 표면거칠기 평가 시편제작용 주형의 설계구조를 나타내고 있으며, 주물 시편의 규격은 100×100 mm 평판으로 5 mm의 두께를 갖는다.

Fig. 3

3D mold data of test specimens

동일한 도형제 Coating 조건에서 신뢰성 있는 결과를 도출하기 위해 시험편 제작 공간(Cavity)은 3개로 구성하였다.

시험편 주조 시, 주물의 수축 보상을 위해 압탕(Riser) 설계를 적용하였으며, 탕구(Sprue)·탕도(Runner)·주입구(Gate)의 단면적은 비압력 주입방식에 통상적으로 사용되는 1:3:3 탕구 비를 적용하였다.

설계된 주형 데이터를 기반으로 Table 1과 같은 성능을 갖는 Voxeljet의 3D프린팅 장비(VX-1000)를 이용하여 주형제작을 진행하였다.

Table 1

Sand mould manufacturing system

3D프린팅 Sand 재료의 입자크기(Grain Size)는 약 190 μm이며, 적층(Layer) 두께는 0.3 mm이다. 층간 접착을 위한 바인더(Binder)는 0.9-1.2%의 함유량을 갖는다. Fig. 4의 (a)는 3D프린팅 주형제작 과정을 나타내며 (b)는 결과물을 나타낸다.

Fig. 4

3D printing process and results

2.2 도형제 적용방안

본 실험에서는 사용한 도형제는 Table 2와 같이 알루미늄합금 제조용 금형에 널리 사용되는 수용성 흑연계 도형제를 채택하였다.

Table 2

Material property of mold wash

도형제의 구성 성분으로는 내화재(Refractory), 액체매체(Carrier), 점결재(Binder), 화학첨가제(Modifier), 현탁제(Suspension agent)로 구성되어 있으며, 주형 표면의 모래 입자간 사립간격을 균일하게 매우기 위해서는 액체매체의 점도관리가 요구된다. 이에, 액체매체의 혼합비율에 따른 도형제 점도(Viscosity)를 분석하기 위해 점도측정기를 활용하여 실험을 진행하였다.

점도측정 장치로는 Fig. 5(a)의 디지털 점도계(DV2T)를 활용하였으며, Full-scale range ±1.0%의 측정 정밀도와 ±0.2%의 재현성을 갖는다.

Fig. 5

Viscosity measurement according to liquid types

측정방법으로는 단일 원통형 회전 점도계에 의한 측정 방식이다. 시료 속에 있는 스핀들을 층류 상태에서 일정 각속도로 회전시켰을 때의 스핀들에 작용하는 토크(Torque)를 측정하는 방식이며, (1)식을 이용하여 액체의 점도를 구할 수 있다.

이 식에서 K_B는 장치상수, Ω는 각속도를 나타내며, M은 스핀들에 작용하는 토크를 의미한다.

점도의 단위는 파스칼초(Pa·s)이며, 통상적으로 밀리파스칼초(mPa·s)를 사용한다. 종례의 단위는 포아즈(P)이며, (2)식과 같은 관계로 정의한다.

통상적으로 주조현장에서 사용되는 도형제의 보우메(Baume) 값은 30(B’) 수준이며, 이를 기반으로 점도 변환을 진행하였다. 도형제 원액과 액체매체(H₂O)를 보우메 10, 15, 20, 25, 30(B’)의 값으로 각 (b)와 같이 교반기를 활용하여 10분간 균일하게 혼합하였다.

점도측정 장치의 스핀들 윗면은 시료 액면에서 5 mm 이상의 깊이로 설정하였으며, 스핀들은 비커의 중앙에 위치하고 회전속도 10 rpm의 조건으로 5분간 측정 및 결과 값을 산출하였다^[5].

Table 3과 같이 도형제 원액과 액체매체(H₂O)의 배합 비율에 따른 점도 측정결과를 도출하였다.

Table 3

Viscosity measurement result to liquid content

3D프린팅으로 제작된 표면거칠기 시편 제작용 주형에 Table 3에서의 102.5 cP, 152.5 cP, 208.2 cP 점도조건을 각각 적용하였으며, 14.8 cP 및 51.3 cP 점도조건의 경우 Fig. 6과 같이 Test bar에 적용 및 검토 결과, 사립 표층이 육안으로 확인될 정도의 저조한 표면품질 수준임에 따라 본 실험조건에서 제외하였다.

Fig. 6

Surface quality at 14.8 cP and 51.3 cP viscosity conditions

도형제 Coating 방법으로는 Brushing, Dipping, Spraying, Flow coating 등이 있다. 이러한 Coating 방법들은 기술적인 면에서 서로 크게 다르다. Coating하는 동안의 도형제 거동이 Coating 방법에 합당하여야 하며 방법의 특성을 고려해하 한다.

Brushing 방법은 제조현장에서 가장 흔히 활용되며, 여러가지 Coating 방법 중 제일 오래된 방법이다. 이 방법의 장점은 외관상 보이는 어느 곳이든 필요한 위치에 Coating 할 수 있고 도형제를 절약할 수 있다. 그러나 균일한 도형 층을 얻기 위해서는 작업자의 노하우(know-how)와 기술이 요구된다.

Dipping 방법은 Coating 방법 중 가장 빠르고 균일한 도형 층을 생성할 수 있으며 생산라인에 설비를 구축하여 자동화가 가능하다. 도형제의 맺힘·흐름 등을 고려할 때 도형제의 점도 및 교반시설, 주형 고정지그, 유압설비 등의 관리가 중요시 된다.

Spraying 방법은 오랫동안 시도되고 있는 방법으로 도형제를 공기 압력으로 분무하는 방법이다. 장점으로는 분무량, Coating 횟수 등 작업자가 원하는 Coating이 가능하고 흐름자국 및 브러시 자국 등 없이 깨끗한 주형표면을 구현할 수 있다. 하지만, 3D프린팅으로 제작되는 복잡한 형상 및 언더컷 형상을 갖는 주형·중자에는 사실상 작업효율이 떨어진다.

Flow coating 방법은 도형제가 Pump에 의하여 공급 탱크에서 노즐을 통하여 전달되는 방식이다. 따라서 유동성이 커야하며, 주형 또는 중자 등 다양한 부품에 적용이 가능하다.

본 연구에서는 3D프린팅 주형의 특성을 고려하여 Flow coating 방법을 적용하였다. Fig. 7과 같이 시편이 형성되는 용탕의 접촉공간에 도형제 Coating을 적용하였으며, 맺힘 및 흐름성을 고려하여 즉시 주형을 기울여 도형제를 Drain 시켰다.

Fig. 7

Coating process of mold wash

용탕 주입 시 주형에 약 700°C 이상의 급격한 온도변화가 발생됨에 따라, 주형에 수분이 잔존할 경우 폭발 위험이 있다. 이에 따라 주형에 침투된 수분을 증발시키기 위해 온도 챔버를 활용하여 60°C 조건에서 5시간 이상 건조를 진행하였다.

2.3 주조실험

3가지 도형제 점도조건이 적용된 3D프린팅 주형을 활용하여 주조실험을 진행하였다. 사용된 소재로는 알루미늄합금 중 주조성이 뛰어나고 피삭성, 용접성 등이 우수하여 자동차 분야에 널리 사용되는 Al-Si-Cu합금(AC4B)을 적용하였다. 시험편의 화학적 성분은 Table 4에 나타내었다^[6].

Table 4

Chemical composition of work-piece aluminum alloy AC4B(wt%)

용탕의 주입온도는 약 730°C로 진행되었으며, 주입된 용탕의 충분한 응고시간을 위해 4시간 이상 방치 후 Unpacking을 진행하였다.

본 시험은 도형제가 적용된 주형을 활용하여 제조된 시편의 표면거칠기 분석에 목적이 있으므로 주물의 표면처리(Surfacing) 과정은 생략하였다.

2.4 표면거칠기 측정

표면거칠기 평가 장비로는 Fig. 8과 같이 ACCRETECH 社의 SURFCOM 모델을 활용하였으며 평가환경에 의한 변수를 최소화하기 위해 동일한 측정구간 및 동일시험자에 의하여 측정을 진행하였다. Table 5는 측정 장비의 사양을 나타낸다.

Fig. 8

Surface roughness measuring instrument

Table 5

The specification of surface roughness measuring instrument

표면거칠기의 정확한 측정을 위해 수준기로 수평을 맞춘 후 컷오프(λ_c) 8 mm, 평가길이는 40 mm로 설정하여 10점 평균거칠기를 측정하였으며, 컷오프 및 평가길이는 KS B 0161의 표면거칠기 값에 따른 권장사항을 참조하였다.

제작된 시편은 이물질 제거를 위해 알코올로 세척 후 실측표면(Measured surface)의 중앙 단면의 경계를 이루는 면을 기준으로 드라이브 이송장치를 자동 작동하여 측정하였다.

3.1 주조실험 결과

Fig. 9는 3가지 도형제 점도조건(102.5 cP, 152.5 cP, 208.2 cP)을 3D프린팅 주형에 적용하여 제조된 주물 시편의 결과이다.

Fig. 9

Casting results of specimens for surface roughness evaluation

주조된 주물 시편 중 Fig. 9의 (a)와 같이 102.5 cP 점도조건을 적용한 주형에서 제작된 시편 표면은 광택이 없고 날카로운 표면을 육안으로 확인할 수 있었다.

반면, Fig. 9의 (c)와 같이 208.2 cP 점도조건을 적용한 주형에서 제작된 시편 표면은 시각적으로 부드러운 면을 확인할 수 있다. 이와 같이 각 조건에 따라 제작된 시편의 표면은 육안으로도 구분될 정도의 품질을 보였다.

3.2 표면거칠기 평가 결과

각각의 점도조건(102.5 cP, 152.5 cP, 208.2 cP)을 적용하여 제작된 시편 12개의 표면거칠기 측정결과는 Table 6에서 나타내며, 도형제의 점도가 높아질수록 표면의 조도가 Fig. 10과 같이 향상되는 경향을 보였다.

Table 6

Surface roughness measurement result of casting specimens(Rz, μm)

Fig. 10

Surface roughness tendency of casting specimens

Fig. 11은 102.5 cP 점도조건에서 제작된 시편 3개 (a), (b), (c)의 거칠기 단면 프로파일을 나타내며, 측정값으로는 156.6 μm~ 161.7 μm(Rz)로 평균 Rz 159.0 μm(Rz)의 거칠기를 확인하였다. 거칠기 파상 간 거리가 짧음으로 볼 때, 표면이 매우 거칠은 결과를 확인할 수 있다.

Fig. 11

Surface roughness of casting specimens applied to viscosity of 102.5 cP

Fig. 12는 152.5 cP 점도조건에서 제작된 시편 3개 (a), (b), (c)의 거칠기 단면 프로파일을 나타내며, 98.5 μm~102.0 μm(Rz)의 측정값으로 평균 100.6 μm(Rz)의 거칠기를 확인할 수 있었다. 측정 시편마다 균일하게 거칠기가 향상됨을 확인하였다.

Fig. 12

Surface roughness of casting specimens applied to viscosity of 152.5 cP

Fig. 13은 208.2 cP의 점도조건에서 제작된 시편 3개 (a), (b), (c)의 거칠기 단면 프로파일을 나타내며, 64.6 μm~107.2 μm(Rz)의 거칠기로 평균 84.8 μm(Rz)의 표면거칠기 값을 확인할 수 있었다.

Fig. 13

Surface roughness of casting specimens applied to viscosity of 208.2 cP

Fig. 13에서 동일한 점도조건 아래 제작된 시편임에도 불구하고 측정값의 분포가 크게 나타났다. 이는 Fig. 13(a)시편의 거칠기 곡선을 보면 평가길이 9 mm, 24 mm, 37 mm 구간에서 -150 μm에 가까운 음의 값을 보인다.

이러한 변수의 값은 (3)식 같이 10점 평균거칠기의 계산방식인 산과 골의 절대 값 평균에 영향을 미친것으로 예측된다.

이 식에서 YP1~P5는 거칠기 곡선의 산을 의미하며, YV1~V5는 골을 나타낸다^[7].

또한, 모래주형으로 제작된 주물품의 경우 선삭(Turning), 밀링(Milling), 연삭(Grinding), 래핑(Lapping), 호닝(Honing) 등 표면이 가공된 금속부품과는 달리 모래입자에 의하여 주물표면의 구멍 또는 홈이 발생될 수 있으므로 Fig. 13(a)와 같은 측정오차가 발생될 수 있다.

이와 같이, 실험조건에 따른 표면거칠기 분석결과 Sand 3D프린팅 주형에 화학적 반응이 아닌 도형제 점도조건 및 도포방법 등의 후처리기술 적용을 통하여 전반적인 주물 표면품질 향상 가능성을 확인하였다. 그러나, 주형 표면의 도형제 고형분 Coating 정도에 따른 주물품의 두께변화 또한 고려해야 할 사항이다.

본 연구 수행에 앞서 이러한 두께변화를 고려하기 위해 Fig. 14와 같이 Test bar(22.4*22.4*172.0 mm)를 활용하여 각 점도조건 별 두께의 변화를 측정하였다.

Fig. 14

Measuring thickness of test bar

3가지 점도조건(102.5 cP, 152.5 cP, 208.2 cP)을 적용한 Test bar의 치수측정 결과, 측정구간 22.4 mm 기준 최대 0.13~0.21 mm 값으로 미미한 수준이었다.

사형주조의 경우 가공 전 주물에 대한 공차등급 CT10~14로 10 mm 이하의 두께에서 최소 2.0 mm의 공차범위를 허용한다. 본 실험에서 수행된 점도조건은 주물품 제작에 미치는 치수의 영향은 작을 것으로 예측된다.