Developments of Friction Stir Processing (FSP) Machines and Optimization of Process Parameters for Additive Manufacturing Parts. : Developments of FSP Machines and Optimization of Process Parameters for Additive Manufacturing Parts. = FSP 장비 개발 및 적층 제조 부품 생산을 위한 공정 매개변수 최적화.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 실시간 하중 모니터링을 위한 로드셀 계측 시스템이 통합된 FSP(Friction Stir Processing) 장비의 설계, 설치 및 구현을 제시한다. 실험적 조사는 TPU–TPU 동종 맞대기 이음, PLA–TPU 이종 맞대기 이음, ABS–TPU 이종 맞대기 이음, 그리고 Al–Al 동종 겹침 이음 등을 대상으로 수행되었으며, 이는 FSP 공정을 기반으로 한다. 모터 주파수, 이송 속도, 플런지 깊이, 작용 하중 분석 등을 고려한 체계적인 공정 변수 최적화를 통해 결함 없는 고강도 접합을 위한 기준을 확립하였다. 용접부의 기계적 특성에는 최대 인장 강도(TPU-TPU: 239N, TPU-PLA: 163N, TPU-ABS: 328N, Al-Al: 300N), 신율(TPU-TPU: 37.25%, TPU-PLA: 26.33%, TPU-ABS: 181.00%, Al-Al: 266.35%), 피크 에너지(TPU-TPU: 10.17Nm, TPU-PLA: 0.87Nm, TPU-ABS: 13.23Nm, Al-Al: 3.5Nm)가 포함되었으며, 이는 용접부를 포함하는 스팬 길이에 걸쳐 인장 시험기를 사용하여 모든 시편에서 평가 및 비교되었습니다. 분석하였다. Al–Al 겹침 이음의 경우, 열 분포, 미세구조 결함(공극, 균열) 및 공정 변수에 따른 재료 결합 특성을 평가하기 위해 열적 및 현미경 분석도 추가적으로 수행되었다. 본 연구는 장비의 구조적 안정성 분석, 고품질 접합을 위한 최적 공정 범위 도출, 그리고 예측 모델링 가능성을 제시하며 결론을 맺는다. 유사 및 이종 고분자 소재에 대한 실험 결과는 다양한 조건에서의 접합 구성 적용이 가능함을 입증하였다. 결론적으로, 본 연구는 FSP의 고분자 및 금속 적용성·성능에 대한 새로운 통찰을 제공하며, 학술 연구 및 산업적 활용 모두에 기여할 것으로 예상된다.

목차 (Table of Contents)

• ACKNOWLEDGEMENTS I
• DEDICATION II
• CONTENTS III
• LIST OF TABLES V
• LIST OF FIGURES VI
• NOMENCLATURES. X
• GENERAL ABSTRACT XI
• Chapter 1: Introduction & Objectives 1
• 1.1 Introduction 1
• 1.2 Process Fundamentals and Mechanisms 3
• 1.3 Literature Review 5
• 1.4 Research Outline and Objectives 7
• Chapter 2: Design and Development of an FSP Experimental Framework 8
• 2.1 Introduction 8
• 2.2 FSP Machine Structural Design, Simulation Analysis, and Components
• Fabrication 9
• 2.3 Basement Structure for FSP Machine 13
• 2.4 Axial Motion System of the FSP Machine 14
• 2.5 Control Box Design, Instrumentation, and Wiring Configuration 15
• 2.5.1 Control Box Dimensions and Features 15
• 2.5.2 3-Phase Motor Control Systems Using Pushbuttons and LED Indicators
• 17
• 2.6 Force Monitoring, Multi-Axis Motion Control, and Safety Integration in
• FSP Systems. 20
• 2.6.1 CI-505A Load Cell Measurement System for the Z-axis 20
• 2.6.2 Load Cell to Raspberry Pi 3 Model B via JY-S60 Weight Transmitter
• and Modbus RTU Interface. 22
• 2.6.3 EtherCAT-Based Motion Control via Raspberry Pi 23
• 2.6.4 Integration of Photosynthetic Sensors for Safety and Homing in FSP
• Systems 25
• Chapter 3: Experimental Implementation for Butt and Lap Joints by FSP 26
• 3.1 Introduction 26
• 3.2 Materials and Methods 29
• 3.3 Experimental Setup 33
• 3.4 Process Parameters and Operating Approach 35
• 3.5 Operational Data and Analysis of Butt Joint 38
• 3.5.1 TPU-TPU Specimens Experiments and Applied Force Analysis 38
• 3.5.2 TPU-PLA Specimen Experiments and Applied Force Analysis 48
• 3.5.3 ABS-TPU specimens Experiments and Applied Force Analysis 58
• 3.6 Al-Al Lap Joints and Applied Force Analysis 68
• Chapter 4: Results 73
• 4.1 Introduction 73
• 4.2 Butt Joint Tensile Test Analysis for Plastics. 75
• 4.2.1 TPU-TPU Butt Joining Analysis 76
• 4.2.2 TPU-ABS Butt Joining Analysis 78
• 4.2.3 TPU-PLA Butt Joining Analysis 81
• 4.3 Microscopic Analysis of the Weld Area of Thermoplastics 83
• 4.4 AL-AL Lap Joint analysis 85
• 4.5 Microscopic Analysis of the Weld Area of the Al-Al Lap Joint. 87
• Chapter 5: Conclusion And Future Scope 88
• 5.1 Conclusion 88
• 5.2 Future Scope 90
• References 91
• Appendix 96