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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.1 pp.149-155
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.16.1.149

Fabrication of Micro-electrodes using Liner Block Moving Electrical Discharge Grinding and Characteristics of Micro-hole Machining of Graphene Nanoplatelet-reinforced Al2O3Composites

Hyeon-A Jeong*, Chang Hoon Lee**, Myung Chang Kang*#
*Graduate School of Convergence Science, Pusan National University
**Industrial Liaison Innovation Center, Pusan National University
Corresponding author : kangmc@pusan.ac.kr+82-51-510-2361, +82-51-510-7396
December 7, 2016 January 13, 2017 February 13, 2017

Abstract

Graphene nanoplatelet (GNP)-reinforced alumina (Al2O3) is a promising material for micro-partapplications, particularly micro-nozzle shapes, because of its excellent wearresistance. In this study, a Al2O3/GNPcomposite with 15 vol% graphene nanoplatelets (GNP) was highly densified and fabricated via spark plasma sintering for micro-electrical discharge drilling (Micro-ED drilling) and the wear resistance property of the composite is evaluated via the ball-on-disk method. In addition, the diameter and shape of the micro-electrodes machined by wire electrical discharge grinding (WEDG), block electrical discharge grinding (BEDG), and new linear block moving electrical discharge grinding (LBMEDG) methods are systematically compared and analyzed to observe the micro-hole machining in the micro-ED drilling of the Al2O3/15vol% GNP composite.


블록직선이송 방전연삭에 의한 미세전극 가공 및 그래핀 강화 알루미나 복합소재의 마이크로 홀 가공특성

정 현아*, 이 창훈**, 강 명창*#
*부산대학교 융합학부
**부산대학교 부품소재산학협력연구소

초록


    National Research Foundation of Korea
    2014R1A1A2055984

    © 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

    구조세라믹과 그래핀 복합소재는 비강도 및 마찰 특성과 같은 기계적 특성이 우수하여 베어링, 밸브 뿐만 아니라 미세핀과 미세노즐 등 극한환경에서의 응용이 요구되고 있다. 그러나 세라믹과 그래핀 복 합소재의 경우 높은 경도(High hardness), 취성 (Brittlness), 굽힘강도(Bending strength) 그리고 인성 (Toughness)과 같은 재료특성을 가지고 있어 밀링, 드릴링과 같은 기계가공공정 적용시 이른 공구파손 (Tool breakage)과 더불어 크랙 전파(Crack propagation)에 의한 재료파괴 등으로 인해 가공공정 적용상 상당한 제약이 있다.

    한편, 마이크로 방전 홀 가공(Micro-ED drilling, Micro-Electrical Discharge drilling)은 일정이상의 전 기전도도(@<0.3 S/m)를 가지면 경도에 상관없이 미 세형상가공이 가능하다. 이에, 알루미나(Al2O3)에 그 래핀 나노박막(Graphene nanosheet)[1] , 산화 그래핀 (Graphene oxide)[2] 또는 그래핀 나노박판(Graphene nanoplatelet)을 강화재(Reinforcement)[3]로 첨가한 그 래핀 강화 알루미나 소재에 대해 분말합성[4] , 소결 방법[5] , 미세구조분석[6] 및 전기전도도(Electrical conductivity)와 열전도도(Thermal conductivity)와 같 은 재료물성 향상[7]과 관련된 결과가 보고되고있지 만 재료물성 및 소결관점의 연구로 국한되어있다.

    따라서, 본 연구에서는 방전플라즈마소결법(SPS, Spark Plasma Sinterimg)에 의해 고치밀화된 Al2O3/15vol% GNP 복합소재를 이용하여, 내마모성 부품으로의 적용가능성을 알아보고자 Ball-on-disk 방법을 사용하여 내마모특성을 평가하였다. 기존에 보고된 와이어방전연삭장치와 블록방전연삭장치를 이용하여 미세전극을 가공하였다. 그리고 새로이 블록직선이송 방전연삭(LBMEDG, Linear Block Moving Electrical Discharge Grinding)을 제안하여 미 세전극 가공을 수행하고, 전극형상을 비교평가하였 다. 미세전극을 이용하여 실제 홀 형상을 가공하고 광학현미경을 이용하여 홀 가공상태를 관찰하였다.

    2.Al2O3/GNP 복합소재 및 미세전극의 제조

    2.1.Al2O3/GNP 복합소재 제조

    Fig. 1은 Al2O3/15vol% GNP 복합소재의 모식도를 나타내었다. 선행연구에서 GNP 함유량에 따라 Al2O3/0 ~ 20vol% GNP 복합소재재료물성을 평가한 결과 Al2O3/15vol% GNP의 상대밀도, 경도 그리고 전기전도도 등을 확인 할 수 있었다.[8] GNP 분산 및 강화효과로 인해 복합소재의 물성이 우수한 것 으로 알 수 있다.[9-10] 먼저, Al2O3 분말에 GNP 분말 을 15vol%의 함유량으로 첨가하여 합성 및 분산과 정을 통해 제조된 복합분말을 방전플라즈마소결법 을 이용하여 Al2O3/15vol% GNP 복합소재로 제조하 였다. 이때, 복합소재는 소결온도 1500℃, 압력 40 MPa, 유지시간 10 min의 조건으로 소결하였다. 제 조된 복합소재의 재료물성 값은 Table 1에 나타내 었다.

    2.2.기존 미세 전극가공 공정

    Al2O3/15vol% GNP 복합소재의 마이크로 방전 홀 가공을 하기 위해서는 고종횡비 형상(HAR, High Aspect Ratio)의 미세전극 가공이 선행되어야 한다. Fig. 2는 미세전극을 가공하기 위해 사용된 방전 연 삭가공공정을 나타내었다. Fig. 2(a)는 와이어방전 연삭가공공정(WEDG, Wire Electrical Discharge Grinding)이며 Fig. 2(b)는 블록방전 연삭가공공정 (BEDG, Block electrical discharge grinding)이다. WEDG와 BEDG의 경우 척(Chuck)으로부터 전극을 분리하지 않고, 기계상(On-machine)에서 가공할 수 있어 전극의 클램핑 오차(Clamping error)를 줄일 수 있는 이점이 있다. 그러나 WEDG 방법은 와이어장 력 제어가 매우 중요한 요소기술로서 고종횡비형상 가공에는 불리하며, 가공시간이 많이 걸리는 단점 을 가지고 있다. 그리고 BEDG 방법은 Z축과 블록 이 같이 움직이므로 원하고자하는 직경가공이 어려 운 단점이 있다.

    2.3.LBMEDG공정의 미세 전극가공 공정

    Fig. 3(a)는 고종횡비 형상의 일정한 직경을 가지 는 미세전극을 가공하는 새로운 블록직선이송 방전 연삭(LBMEDG, Linear block moving electrical discharge grinding)공정을 나타내었다. Fig. 3(b)는 제 안한 LBMEDG의 미세전극 공정이다. LBMEDG의 경우 텅스텐 전극은 가공하고자 하는 길이만큼 Z축 으로 이송하고, 전극직경은 X 또는 Y축 직선운동을 수행하는 블록전극(방전갭제어)에 의해 가공되는 방 전연삭공정이다. 이는 기존 미세 전극가공 방법인 WEDG와 BEDG보다 미세 전극가공 시간이 짧고, 일정한 전극직경을 가질 것으로 생각된다.

    3.실험장치 및 방법

    3.1.LBMEDG공정의 미세 전극가공평가법

    미세전극재료는 전극마모를 최소화하기 위해 용 융점이 높은 텅스텐전극(Tungsten electrode)을 사용 하였다. 전극가공을 위해 와이어(Dia. 200 ) 및 블 록(15mm×15mm×10mm)은 황동(Brass) 소재를 사용 하였다. 전극가공용 소재보다 텅스텐 전극의 제거 를 크게 하고자 텅스텐전극은 양극(Positive), 와이 어 및 블록은 음극(Negative)으로 설정하였다. 또한, 전극가공조건은 전압 200V, 커패시턴스 47nF, 전극 회전수 1000 rpm 그리고 이송속도는 10μm 로 고정 하였고, 전극의 오버행(Overhang)은 3.5mm로 동일 하게 설정하여, 가공된 미세전극 형상을 광학현미 경(OM, Optical Microscope)을 이용하여 비교 평가 하였다.

    Fig. 4 Al2O3/15vol.% GNPs 복합소재의 내마모 성(Wear resistance) 평가를 위해 ASTM C1412 기준 [13]에 근거한 Ball-on-disk method을 보여주며, Table 2는 내마모성 평가실험을 위한 조건을 보여준다. Al2O3/15vol% GNP 복합소재의 내마모성에 미치는 GNP의 영향을 관찰하기 위해 Counterpart 소재는 세라믹 기지와 같은 Al2O3(13.5GPa)[10]로 정하였다. 내마모성 평가시편은 Diamond band saw(DCS-200, MTI Diamond Co., ltd)를 이용하여 20mm×20mm× 4mm의 크기로 절단하여 실험하였다 .

    3.2.Al2O3/GNP 복합소재 마이크로 방전 홀 가공법

    마이크로 홀 방전을 위한 마이크로 방전가공기는 하이브리드정밀(Hybrid precision Co. Korea)에서 제 작된 Hyper-15 모델이며, RC-Type의 방전회로를 사 용하였으며, 홀 가공깊이는(Layer depth)는 1500μm, 가공조건은 전압 100V, 커패시턴스10nF, 전극회전 수 1000 rpm 그리고 이송속도는 10μm 로 고정하여 마이크로 홀 방전가공을 수행하였다.

    4.실험결과 및 고찰

    4.1.Al2O3/GNP 복합소재의 내마모특성

    Fig. 5는 Monolithic Al2O3와 Al2O3/15vol%GNP 복 합소재의 내마모시험 결과를 보여준다. Fig. 5(a, b) 는 각 소재 표면위에 형성된 마모트랙(Wear track) 상이한 것을 알 수 있으며, 이는 내마모시험이 진 행될수록 마찰로 인해 상대재가 복합소재 표면에 융착된 것으로 생각된다.[7,12] Fig. 5(c)는 사이클 시 간에 따른 마찰계수이다. Al2O3/15vol% GNP 복합소 재의 마찰계수 0.09가 Al2O3 0.16의 마찰계수보다 낮은것을 알 수 있다. 이는 GNP가 Al2O3에 첨가되 면서 발생하는 인성강화 메커니즘(Toughening mechanism)으로 윤활효과(Lubricant effect)로 인한 결과로 생각된다.[13]

    4.2.WEDG, BEDG 및 LBMEDG 공정의 미세전극가공 비교

    Fig. 6(a)는 100㎛ 직경을 가지는 미세전극을 가공 할 목표로, 300㎛직경을 가지는 텅스텐전극을 이용 하여 각 전극가공공정으로 가공한 후 관찰한 사진 이다. Fig. 6(b)는 100㎛의 직경을 가지는 미세전극 가공을 목표로 가공한 후 각 공정별로 일정한 거리 의 4지점에서 직경을 측정하여 평균을 나타내었다. WEDG공정의 가공결과는 목표로 한 직경인 100㎛ 에 근접한 136.20㎛의 직경으로 가공된 반면 전극 의 엣지방향(Direction of electrode edge)으로 직경이 가늘어 지는 테이퍼현상이 발생하는 것을 알 수 있 다. 이는 전극을 미세하게 가공할 경우 전극의 엣 지부에서 와이어전극과 엣지부에 순간적인 방전집 중(Discharge concentration)이 발생하여 많은 텅스텐 전극재료를 순간적으로 용융 및 기화시킨 것으로 생각된다[14-15]. BEDG공정으로 가공된 전극의 경우 WEDG로 가공된 미세전극에서 발생한 테이퍼현상 관찰과 더불어 223.17㎛의 직경을 측정할 수 있었 다. 이는 300㎛직경의 텅스텐 전극직경 대비 불과 21.60㎛정도의 직경이 가공이 이루어졌으며, 이러한 현상은 BEDG의 가공경로로 인해 텅스텐 전극재료 는 양극 그리고 블록 전극은 음극으로 설정하였음 에도 불구하고 더욱 많이 용융 및 기화된 것으로 생각된다. 이에, 노즐의 미세 홀 가공을 수행함에 있어서 미세전극을 WEDG와 BEDG로 가공할 경우 방전집중현상 해결 및 공구경로의 개선이 필요하 다. 본 연구에서 제안한 LBMEDG공정을 이용할 경 우에 Fig. 6(b)와 같이, 각 공정별 임의의 4군데의 측정위치에서 평균 103㎛의 전극직경을 가진다. 이는 목표로 한 100㎛ 직경에 근접하면서도 거의 일정한 전극직경을 가지며, 또한 전극가공시간을 비교한 결과, WEDG 40분, BEDG 60분 그리고 LBMEDG 20분으로 와이어와 블록에 의한 방전 총 에너지와 전극 이동경로에 의한 결과로 생각된 다. Fig. 7은 앞서 텅스텐전극을 가지고 Fig. 6에서 얻어진 WEDG에서 미세전극 직경 136㎛, BEDG에 의한 미세전극 직경 223㎛ 그리고 새로이 제안한 LBMEDG공정에 의한 미세전극 직경 103㎛를 이용 하여, 실제로 Al2O3/15vol% GNP 복합소재를 마이크 로 방전 홀가공을 수행한 결과이다[12].

    Fig. 7(a)는 WEDG를 이용하여 가공된 직경 136 ㎛ 미세전극을 사용하여 Al2O3/15vol% GNP 복합소 재를 홀 가공한 결과이며, 입구부의 직경은 198.3㎛ 를 보였다. Fig. 7(b)는 BEDG공정을 이용하여 얻어 진 직경 223㎛의 전극을 사용하여 Al2O3/15vol% GNP 복합소재를 홀 가공한 결과로서, 입구부의 직 경은 296.9㎛를 보였다. 또한 Fig. 7(c)는 본 연구에 서 새로이 제안한 LBMEDG 공정으로 가공한 미세 전극 직경이 103㎛ 인 것을 이용하여 홀 가공한 결과 입구부의 직경은 144.7㎛로 가공형상 오차가 작은 홀 직경을 얻을 수 있었다. 한편, 미세 홀이 가공된 Al2O3/15vol% GNP 복합소재의 입구형상을 관찰한 결과, 전극직경이 일정한 경우에 크레이터 (Crater)나 표면 재응고층(Recast layer)이 현저하게 감소함을 알 수 있었다.

    5.결 론

    본 연구에서, 방전플라즈마소결법을 통해 제조된 고치밀화 Al2O3/15vol% GNP 복합소재를 이용하여 내마모특성과 마이크로 전극가공공정에 따른 마이 크로 홀 가공특성을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다. Al2O3/15vol% GNP 복합소재의 평균 마찰계 수는 0.09로써 Monolithic Al2O3의 평균 마찰계수인 0.16보다 우수한 내마모성을 가지며, 또한 높은 전 기전도성으로 인하여 방전가공이 유용한 소재이다. 새로이 제안한 블록직선이송 방전연삭(LBMEDG) 공정을 사용하여 전극을 가공하는 경우에 와이어방 전연삭과 블록방전연삭에 비해 평균 직경값 103㎛ 로 매우 일정한 직경을 가지는 미세전극을 얻었다. 이를 통해 실제 Al2O3/15vol% GNP 복합소재의 미 세 방전 홀 가공을 한 입구부의 직경은 144.7㎛로 가공형상 오차가 작은 홀 직경을 얻을 수 있었다. 또한 입구부 가공형상도 매우 양호하였으며, 이러 한 결과를 바탕으로 향후 고종횡비형상의 내마모성 노즐가공 응용연구를 수행하고자 한다.

    후 기

    This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(2014R1A1A2055984).

    Figure

    KSMPE-16-149_F1.gif
    Schematic diagram on outstanding material and wear resistance properties of Al2O3/15vol% GNP composite[1,3-6]
    KSMPE-16-149_F2.gif
    Conventional machining method for microelectrode in micro-electrical discharge machining process[11]
    KSMPE-16-149_F3.gif
    A new linear block moving electrical discharge grinding for fabrication of micro-electrode having constant diameter[12]
    KSMPE-16-149_F4.gif
    Ball-on-disk method on Al2O3/GNP composite for evaluation of wear resistance
    KSMPE-16-149_F5.gif
    Results of wear properties evaluation in monolithic Al2O3 and Al2O3/15vol.% GNP composite using optical micrograph
    KSMPE-16-149_F6.gif
    Results of (a) micro-electrodes machined by WEDG, BEDG and LBMEDG and (b) error of machined micro- electrode diameter at 300㎛ electrode
    KSMPE-16-149_F7.gif
    Micro-hole shape machined by (a) WEDG (b) BEDG and (c) LBMEDG process

    Table

    Material properties of Al2O3 and Al2O3/GNP composite fabricated by SPS method[9]
    Experimental conditions for evaluation of wear resistance by using ball-on-disk method on Al2O3/15vol% GNP composite

    Reference

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