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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.2 pp.38-45
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.2.038

Hybrid Technology using 3D Printing and 5-axis Machining for Development of Prototype of the Eccentric Drive System

Jong-Dae Hwang*#, Jun-Seok Yang*, Sung-Hwan Yun*, Yoon-Gyo Jung**
*Department of Mechatronics, Cheju Tourism College
**School of Mechanical Engineering, Changwon National University.
Corresponding Author : hjd2123@naver.com+82-64-740-8794, +82-64-740-8795
January 8, 2016 January 15, 2016 January 17, 2016

Abstract

Since a 5-axis machine tool has two rotary axes, it offers numerous advantages, such as flexible accessibility, longer tool life, better surface finish, and more accuracy. Moreover, it can conduct whole machining by rotating the rotary feed axes while setting the fixture at once without re-fixing in contrast to conventional 3-axis machining. However, it is difficult to produce complicated products that have a hollow shape. In contrast, 3D printing can produce an object with a complicated hollow shape easily and rapidly. However, because of layer thickness and shrinkage, its surface finish and dimensional accuracy are not adequate. Therefore, this study proposes hybrid technology by integrating the advantages of these two manufacturing processes. 3D printing was used as the additive manufacturing rapidly in the whole body, and 5-axis machining was used as the subtractive manufacturing accurately in the joining and driving places. The reliability of the proposed technology was verified through a comparison with conventional technology in the aspects of processing time, surface roughness. and dimensional accuracy.


편심구동장치 시제품 개발을 위한 3D프린팅-5축가공 복합기술

황 종대*#, 양 준석*, 윤 성환*, 정 윤교**
*제주관광대학교 메카트로닉스과
**창원대학교 기계공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    현대의 생산제조시스템은 원소재의 제거를 통한 절삭 가공(SM : Subtractive manufacturing)과 가공된 부품의 접합, 조립 공정을 통하여 발전하여 왔다. 주로 CNC 컨트롤러에 의한 수치제어 방식으로 진행되었으며 드릴링, 태핑, 보링과 같은 1축가공으로부터 시작하여 선반, 와이어컷 방전가공을 비롯한 2축가공, 밀링과 같은 3축가공을 거쳐 이송축의 자유도가 최적화된 5축가공에 이르기까지 눈부신 발전을 거듭하여 왔다. 특히 5축가공기는 3개의 직선이송축에 2개의 회전이 송축이 부가됨으로써 3축가공기에서는 얻지 못하였 던 다양한 혜택을 얻게 되었다.[1]

    임펠러나 프로펠러와 같은 유체기계부품의 블레이드 는 유체 유동의 목적으로 복잡하게 휘어진 자유곡면으 로 구성되어 3축가공으로는 블레이드 사이의 허브부 를 가공할 수 있는 유효한 공구축벡터를 찾을 수 없는 반면, 5축가공에서는 적절한 공구축벡터의 연속제어 가 가능한 5축동시제어가공이 구현된다. 또한 자동차 나 선박의 엔진하우징과 같이 임의 각도로 경사진 평면 이 많은 경우 3축가공에서는 별도의 치공구나 총형공 구를 사용해야 하지만 5축가공에서는 요구각도로 회 전이송한 후 5축고정제어가공(3+2축)이 가능하다. 특 히 플랜트를 비롯한 각종 구조물 외면 가공시 3축가공 에서는 다수의 셋업과 가공을 반복해야 하지만 5축가 공에서는 1회의 셋업으로 완가공을 수행할 수 있어 높은 기하공차 정밀도를 확보할 수 있다.

    그러나 편심구동장치, 동력전달장치의 본체와 같이 내부에 기어나 링크, 샤프트, 베어링, 부싱 등 기계요소 부품이 삽입되는 경우 중공의 Shell 형상이므로 5축가공 기술을 이용하더라도 내면가공에 기술적 어려움이 있 다. 이 경우 좁은 내면의 측면부 가공을 위하여 별도의 앵글헤드 스핀들을 삽입하여 가공할 수 있으나 공구경 로 생성과 포스트프로세싱이 복잡해지는 등 기술적 어 려움이 따른다.[2~3] 따라서 중공형상을 코어원형으로 제작한 후 인베스트먼트 주조법을 비롯한 다양한 주조 공정을 활용하여 제조할 수 있다. 그러나 주조법은 원형 제작, 주형제작, 주조, 후처리 등 제조공정이 복잡하고 제작시간이 길며 고비용을 지불해야 하므로 대량생산 인 경우에 적합하다. 다품종 소량생산과 소비자의 요구 를 즉각적으로 설계에 반영하기 위한 시제품(Prototype) 은 빠르고 저렴하게 제작해야 하므로 5축가공과 주조공 정을 적용하기에 한계가 있다.[4]

    5축가공과 주조공정으로 제작이 어려운 복잡한 형상 의 중공모델 시제품을 빠르고 효율적으로 제작할 수 있는 대안으로 3-D 프린팅 기술이 급부상하고 있다. 3-D 프린팅 기술은 RP(Rapid prototyping) 기술로부터 발전하였으며 절삭가공과 반대로 적층가공(AM : Additive manufacturing) 방식으로 단면을 성형한 후 적층 하여 원하는 3D 형상으로 제조하는 방법으로 관련 핵심 특허가 종료되고 기반 요소기술이 발전함에 따라 상용 화 단계에 들어서고 있다.[5]

    특히 액체기반(SLA: Stereo Lithography, DLP: Digital light processing)이나 분말기반(SLS: Selective laser sin- tering, SLM:Selective laser melting)의 소재를 경화하여 적층하는 방식과 달리 고체기반의 열가소성 수지를 필 라멘트 형태로 송급한 후 히터에서 용융하고 노즐을 통하여 압출하는 방식인 FDM(Fused Deposition Modeling) 기술은 필라멘트 송급이 간편하고 CNC 제어 기술을 사용할 수 있기 때문에 쉽고 저렴하게 원하는 형상으로 제조할 수 있어 빠르게 보급되고 있다.

    그러나 FDM은 액체나 분말 기반의 RP 기술이 나노급 정밀도를 구현해가는 추세에 비해 여전히 정밀도와 표 면조도 측면에서 신뢰성이 떨어진다. 또한 여타의 3-D 프린팅 기술과 같이 스텝형상에 따른 표면조도 저하와 응고시 발생하는 수축, 내부 잔류응력에 의한 치수정밀 도 저하 문제를 갖고 있다. 스텝형상에 의한 표면조도 저하를 극복하기 위하여 적층높이를 원하는 조도까지 줄일 수 있으나 조형시간이 극히 길어지게 되므로 생산 성 저하와 비용증가를 유발한다. 그러므로 표면조도와 정밀도가 필요하지 않은 부분에 대해서는 스텝을 크게 하여 빠르게 적층하고, 조립부나 구동부 등 높은 정밀도 와 표면조도를 필요로 하는 부분에 대하여만 정밀한 후가공을 수행할 필요가 있다. 이러한 요구를 만족하기 위하여 저렴하면서도 빠르게 복잡한 형상 제조가 가능 한 FDM 방식의 3-D프린팅과 높은 자유도로 정밀가공이 가능한 5축가공의 장점을 복합화할 필요가 있다.

    서로 다른 공정의 복합화를 통한 생산성 향상 노력은 여타의 적층가공 및 절삭가공 복합화 연구들에서도 찾아 볼 수 있으며 주로 CO2 레이저 용접, GMAW(Gag metal arc welding) 등 적층가공과 3축가공을 복합화하여 생산 성을 향상하고자 하였다.[6~7] 그러나 3축가공에 국한되어 복잡한 형상의 시제품에 대한 정밀 후가공에는 한계가 있었다. 최근 FDM 방식의 적층가공과 5축가공을 이용한 절삭가공을 복합화하는 연구가 진행되었다[8]. Lee등이 제안한 이 연구에서는 FDM unit과 5축가공 스핀들을 헤드틸팅 테이블틸팅 타입 5축가공기의 헤드 양끝단에 각각 설치하고 헤드의 180도 회전을 통하여 3D프린팅과 5축가공을 순차적으로 수행할 수 있도록 고안하였다. 그러나 테이블의 회전 이송 메커니즘을 무한회전 (Rotation, ±360°)으로 하지 않고 제한된 회전 각도 내에서 유한회전(Tilting, ±90°)하도록 설계하여 작업범위의 한 계가 발생함으로써 5축가공의 최적화된 자유도를 충분 히 활용할 수 없었다. 또한 5축가공에 의한 정밀도 향상 검증 목적으로 선정한 모델 형상이 3축가공으로도 가능 한 자유곡면이므로 3D프린팅과 5축가공의 복합화 의미 가 감소되었다.

    본 연구에서 Case study로 선정한 편심구동장치는 원활한 구동을 위하여 조립 정밀도와 구동부 표면조도 가 매우 중요하다. 특히 편심구동장치의 본체는 내부가 중공인 Shell 형태로 되어 있으며 상면과 좌, 우측에 정밀도가 요구되는 부싱 및 베어링 삽입 구멍(hole)이 있어 3D프린팅과 5축가공의 복합화가 필요하다.

    따라서 본 연구에서는 편심구동장치를 대상으로 기존의 제조방식과 비교하여 3D프린팅과 5축가공을 복합화할 경우얻을 수있는 장점을 검토하고자 한다. 이를 위하여 편심구동장치 시스템의 원활한 구동을 위한 기하공차 설계를 수행하고 3D프린팅을 수행하였으며 베어링 삽입 부와 같이 조립 정밀도를 요하는 부분에 대하여 3축가공 과 5축가공을 각각 적용하였다. 이를 통하여 제작시간, 정밀도, 표면조도의 관점에서 개선점을 비교함으로써 본 복합가공 기술의 효과를 검증하고자 한다.

    2.편심구동장치 설계

    Case study로 선정한 편심구동장치는 모터의 회전운 동을 편심축과 링크 및 슬라이더의 조합을 통하여 직선 운동으로 변환하는 것으로 원활한 구동을 위하여 각 부품간 조립공차와 기하공차가 매우 중요하며 접촉부 표면조도 또한 양호해야 한다. 이를 위하여 조립 시 필요한 끼워맞춤공차와 기하공차, 표면조도를 KS 규 격에 준하여 Fig. 1과 같이 설계하였으며 Table 1과 같이 14개의 부품으로 구성하였다. 디지털 목업에 대 한 구동시뮬레이션을 수행함으로써 회전운동의 직선 운동 변환시 부품간 간섭이나 오작동 여부를 검토하였 으며 제작 및 정밀도 검증을 위한 도면 작업을 Fig. 2와 같이 수행하였다.

    Fig. 2의 편심구동장치 본체 상부와 좌, 우측면에 도시된 세 개의 ϕ32H7 Hole은 부싱, 베어링을 삽입하기 위한 것으로서 슬라이더, 편심축, 링크가 부싱, 베어링 내부에서 안정적으로 직선운동과 회전운동을 하도록 지지해주는 요소이므로 시스템의 조립 및 구동 측면에 서 매우 중요하다. 따라서 도면과 같이 데이텀으로부터 평행도, 직각도 등 기하공차와(KS B0243, 0425, 0608) 끼워맞춤 공차(KS B0401), 표면거칠기(KS B 0617, 0161, KS A ISO 1302) 및 중심거리공차(KS B 0420) 등을 규제하였다. 그러므로 3D프린팅에 의한 1차 조형 이후 정밀한 2차 절삭가공이 반드시 필요하다.

    3.편심구동장치 제작

    Fig. 3은 편심구동장치의 제작 프로세스와 연구 수행 과정을 보여주는 개략도이다. 좌측은 기존의 제조기술 을, 우측은 제안한 복합기술을 나타낸다. 기존제조기 술에서 적층가공(AM)은 주조공정으로 이루어지는데 중공의 내부형상 제작을 위한 코어 원형과 외부 원형을 만들고 주형을 제작한 후 주조 및 후처리 공정을 수행 해야 하므로 제작시간 및 비용이 커진다. 반면 제안한 복합기술에서 적층가공은 3D프린팅을 통하여 이루어 지므로 제작시간과 비용 면에서 극적인 감소가 가능하 다. 기존 제조공정의 절삭가공(SD)은 3축가공으로 진 행되는데 편심구동장치 본체의 경우 상부와 좌, 우측 구멍을 가공하기 위하여 세 번의 세팅과 세 번의 가공 을 수행해야 하므로 세팅시간이 길어질 뿐만 아니라 소재 탈, 부착 과정에서 기하공차를 비롯한 정밀도 저하가 우려된다. 반면 제안한 복합가공 공정에서는 5축가공을 수행하므로 1회 세팅으로 완가공을 수행할 수 있어 양호한 형상정밀도를 기대할 수 있다.

    연구수행 목적을 달성하기 위하여 적층가공에 의한 시제품의 표면조도와 절삭가공에 의한 시제품의 표면 조도를 각각 비교하며, 3축가공과 5축가공 공정의 소 요시간과 정밀도를 각각 비교하도록 계획하였다.

    3.13D프린팅

    3D프린팅은 두 대를 함께 사용하였다. Fig. 4는 KCLONE사의 LM300과 STARTASYS사의 uPrint를 각각 보여주며 Table 2에 각 프린터기의 규격을 나타내었다. LM300은 uPrint에 비하여 적층두께나 Shell 두께, 내부밀 도 등 많은 항목에서 사용자 선택의 폭이 컸으나 적층에 러확률이 높은 반면 uPrint는 적층이 원활하게 이루어지 는 범위로 한정함으로써 안정적인 조형이 가능하였다.

    Table 3은 3D프린팅을 위한 NC데이터를 생성하기 위 하여 Cura, ver.15.04.2(Ultimaker) S/W에 입력한 조형조건 이다. Body는 연구목적에 맞도록 적층두께를 가장 크게 하여 조형시간을 줄였고 편심축, 링크, 슬라이더는 엔지 니어링부품의 일반적인 조립공차인 0.05mm 이내로 적층 하였다. 또한 운동부 강성을 고려하여 편심축, 링크, 슬라 이더의 Shell 두께는 3mm로 하였고 나머지 부품은 0.8mm 정도로 하였으며 Fig. 5와 같이 양호하게 적층되었다.

    3.2절삭가공

    Fig. 6은 본 연구의 절삭가공에 사용된 공작기계로 Table 4와 같이 현대위아에서 제작한 3축 공작기계에 니켄에서 제작한 2축 로터리 테이블을 부착한 다축공 작기계이다. 비교적 저렴한 가격으로 3축가공과 5축가 공을 하나의 베드위에서 순차적으로 운용할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 기존 제조공정인 3축가공 과 제안한 제조공정인 5축가공의 상호 비교를 위하여 각각 바이스와 로터리테이블을 사용하고 Fig. 6의 우측 그림과 같이 가상머신을 제작하여 가공 시뮬레이션 (Vericut 6.2, CGTech)에 활용하였다. 로터리테이블은 그림과 같이 Y축을 회전중심으로 하는 B축(틸팅)과 Z축을 회전중심으로 하는 C축(로테이션)으로 이루어 져 있으며 이송한계는 Table 4와 같다.

    Fig. 7은 3축가공을 위한 셋업과정을 보여주는 것으 로 (a)는 상부 부싱 Hole 가공을 위한 Z축 원점을 세팅하 는 장면이고 (b)는 Y축 원점을 세팅하는 장면이다. (b)에서 동일한 방법으로 치구의 좌, 우를 접촉함으로 써 X축 원점 세팅을 수행하였다. (c)는 좌측 베어링 Hole 가공을 위한 X축 원점 세팅과정을 보여주는 것으 로서 이러한 공작물좌표계 세팅과정을 상부 부싱 Hole, 좌, 우측 베어링 Hole에 대하여 각각 수행하였다. Fig. 8은 각각의 셋팅 이후 3축가공을 수행하는 장면을 보여준다. 자동측정 프로브가 부착된 첨단장비라 할지 라도 치구나 공작물의 탈부착시 준비시간이 필요하고 탈부착과정에서 정밀도 저하가 우려된다.

    Fig. 9(a)는 5축가공을 위한 로터리테이블의 중심 축과 소재치구의 중심축을 일치시키는 과정이고 (b)는 X축 정렬을, (c)(d)는 각각 공작물좌표계 원점과 공구길이 보정을 수행하는 장면이다. 3축가공의 경우 가공할 면이 많아지고 치구가 복잡해질수록 세팅시간 이 길어지는 반면 5축가공의 세팅은 대체로 이와 유사 한 과정을 1회만 수행하면 되므로 전체 세팅시간의 단축을 기대할 수 있고 1회 세팅으로 모든 면을 가공할 수 있기 때문에 높은 치수정밀도가 기대된다.

    Fig. 10은 로터리테이블을 사용한 5축가공 장면으로 제품의 탈부착이 없이 1회 세팅 후 완가공을 수행하였 다. Fig. 10의 위쪽 그림은 가상기계에서 절삭시뮬레이 션을 수행하는 장면으로 로터리테이블의 회전이송 시 발생할 수 있는 충돌 및 간섭을 사전에 방지하기 위하여 수행하였다.

    4.실험결과

    Table 5는3D프린팅과절삭가공에의한시제품의표면거 칠기 비교를 위하여 사용한 표면조도계 규격을 보여주며 Table 6은측정결과를나타낸다. 컷오프값0.8mm로3D프린 팅 시제품의 임의 평면과 엔드밀로 절삭된 임의 평면 위치 에서각각 5회 측정하였다. 3D프린팅 시제품의표면조도 측정결과Table 6과같이평균Ra, 16.46μm가나옴으로써 Fig. 2의도면에서 제시한 요구조도인 Ra , 3.2μm에 훨씬 미치지 못하는 반면 엔드밀링에 의한 절삭가공 시제품은 평균 Ra, 0.97μm로 요구조도를 충분히 만족하였다. 이 결과는 엔지니어링 부품의 시제품 제작 시 조립부에 대한 2차 정밀가공이 반드시 필요함을 보여준다.

    Table 7은 3축과 5축가공 시 셋업과 가공에 소요된 시간을 보여주는 것으로 3축가공은 총 55.4분인 반면 5축가공은 38.6분으로 약 30% 단축된 결과를 보여준 다. 5축가공의 경우 1회 셋업에 소요되는 시간은 3축가 공의 2배이지만 3축가공은 3회 셋업을 하므로 총 소요 시간은 더 길어진 것이다. 가공부위가 많고 셋업 스테 이지가 많아질수록 3축가공에 의한 셋업시간은 더 길어지므로 3D프린팅 이후 5축가공 기술을 활용하는 것이 더욱 효과적일 것이다.

    Table 8은 정밀도 측정에 사용된 3차원 측정기 규격 을 보여주며 Fig. 11과 같이 상부 부싱 Hole과 좌, 우측 베어링 Hole에 대하여 각각 측정하였다. Fig. 11의 위쪽 그림은 측정기 구동 S/W인 VirtualDMIS의 구동화면을, 아래는 실제 측정장면을 보여준다. 측정결과 Table 9 및 Fig. 12와 같이 3축가공에 의한 시제품은 절대값 평균 0.057mm의 에러를 나타낸 반면, 5축가공 시제품 은 0.016mm의 에러를 나타내었고 주어진 공차 이내로 들어간 요소도 3축가공 시제품이 2개인 반면 5축가공 시제품은 7개로 측정되어 5축가공을 활용할 경우 보다 향상된 기하공차 및 거리공차 정밀도를 보였다. 이는 탈부착 시 세팅 오차에 의한 것으로 5축가공은 1회 탈부착 및 세팅으로 완가공을 함으로써 오차를 줄인 것으로 평가된다.

    Fig. 13은 3D 프린터와 5축가공 복합기술을 활용하여 제작한 편심구동장치 시제품으로 디지털 목업의 구동 시뮬레이션과 같이 원활하게 작동함으로써 제안한 복합기술의 타당성을 검증하였다.

    5.결론

    본 연구에서는 편심구동장치 시제품의 효과적인 제 작을 위하여 3D프린팅-5축가공 복합기술을 활용하였고 다양한 시험평가를 통하여 아래와 같은 결론을 얻었다.

    1. FDM방식의 3D프린팅 기술을 활용하면 중공 의 복잡한 Shell 형상 시제품에 대한 조형작업시 기존의 주조공정에 비하여 빠르고 효과적으로 결 과를 얻을 수 있다.

    2. 표면조도 측정 비교 결과 3D프린팅 표면에 비하여 절삭가공면이 월등히 우수하므로 엔지니어링 목적 의 시제품을 제작할 경우, 적층두께를 크게 하고 빠르게 조형한 후 필요한 요소에 국한하여 2차적인 정밀가공을 함으로써 제작시간 단축과 품질 향상 을 도모할 수 있다

    3. 기존의 3축가공 방식에 비하여 5축가공에 의한 후가공은 셋업시간과 정밀도 측면에서 매우 효과적이 었으며 편심구동장치의 원활한 구동을 확인함으로써 3D프린팅 기술과 5축가공 기술을 응용한 복합기술의 적용 타당성이 검증되었다.

    Figure

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    Design of the eccentric drive system
    KSMPE-15-38_F2.gif
    Drafting of the body for evaluating accuracy
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    Process planning in this study
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    3D printers used in this study
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    3D printing process in the S/W and printer
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    Multi-axis machine tool with 3-axis & 5-axis
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    Setup process for 3-axis machining
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    3-axis contour milling in the 3-holes
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    Setup process for 5-axis machining
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    5-axis contour milling in the 3-holes
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    Accuracy measuring in the 3D CMM
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    Measuring result graph of accuracy
    KSMPE-15-38_F13.gif
    Developed eccentric drive system

    Table

    Part name of the eccentric drive system
    Specification of the 3D printers
    3D printing condition in the drive S/W
    Specification of the multi-axis machine tool
    Specification of the surface roughness tester
    Measuring result of surface roughness
    Process time of setup and cutting
    Specification of the 3D CMM
    Measuring result of accuracy

    Reference

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