Interlocking 구조를 가지는 금속-복합소재 접합 특성에 관한 연구

김무선(Moo-Sun Kim) 한국산학기술학회 2022 한국산학기술학회논문지 Vol.23 No.11

본 연구에서는 금속(알루미늄 합금)과 탄소섬유 복합소재를 대상으로 하여 두 소재의 접합면에 interlocking 구조를 조성한 후 두 소재 간의 접합 특성을 시험 분석하였다. 접합시편은 single lap joint 시편으로 제작하였으며, interlocking 구조를 생성하기 위한 방법으로 금속 3D 프린팅 공정 기술 중의 하나인 SLM 기술을 이용하여 금속 시편을 제작하였다. Interlocking 구조물은 사각 단면을 가지는 블록을 일정 간격으로 반복하여 금속 접합면 위에 제작하였으며, 접합면 상부에 복합소재 프리프레그를 적층한 후 오토클레이브 공법으로 최종 접합시편을 제작하였다. 제작된 시편을 대상으로 접합응력 측정시험을 진행하였으며 그 결과값을 일반 평면 접합면을 가지는 대조군과 비교한 결과 약 7.4 %의 접합강도 향상 효과가 있음을 확인하였다. 그리고 수치해석을 진행하여 접합면의 응력 분포에 대한 결과를 분석하였다. The bonding characteristics between the metal (aluminum alloy) and carbon fiber composite materials were analyzed when the interlocking structure on the bonding surface of the metal was formed artificially. The test specimens were manufactured as the single-lap-joint test type. The metal part of the specimen was manufactured using SLM technology, which is one of the metal 3D printing technologies, to produce an interlocking structure. The interlocking structure was fabricated on the metal bonding surface by repeating blocks of a rectangular cross-section at regular intervals. After laminating the composite material prepreg on the metal bonding surface, the final joint specimen was produced using an autoclave process. The single-lap-joint test was performed to obtain the adhesion strength, and the result was compared with the control group having a plane bonding surface. The results revealed an approximately 7.4 % improvement in adhesion strength. Numerical analysis was carried out to analyze the stress distribution of the bonding surface.

복합재료 골프샤프트의 적층최적화

김무선 ( Moo Sun Kim ),한동철 ( Dong Chul Han ),김선진 ( Seon Jin Kim ),이우일 ( Woo Il Lee ) 한국복합재료학회 2007 Composites research Vol.20 No.1

DED 공정기술을 적용한 레일 유지보수 시편의 경도 특성 연구

김무선(Moo-Sun Kim) 한국산학기술학회 2023 한국산학기술학회논문지 Vol.24 No.8

본 연구에서는 철도산업의 주요 인프라 구성요소인 레일을 대상으로 적층제조기술로 유지보수를 수행하였을 경우 레일에 발생하는 주요 물성의 변화를 분석 진행하였다. 적층제조기술은 열차의 반복 하중에 의한 레일 표면 마모 및 결함을 대상으로 한 유지보수 기술로 적용이 가능하다. 유지보수 기술로서의 적층제조 특성을 이해하기 위한 시험을 진행하기 위해, 레일 상부 절삭 후 DED 공정기술로 일정 높이만큼 적층하여 시편을 제작하였다. 적층 소재로 SUS316L 및 SUS630 두 종류의 소재를 적용하였고 공정조건의 차별화로 레이저 스캐닝 방향을 0° 및 0°/90° 교차 적층으로 구분하였다. 측정 물성은 레일 단면을 기준으로 레일의 주요 물성인 경도값(HV)을 적층 표면부터 레일의 중심까지 순차적으로 측정하였다. 경도 분석결과는 두 소재 모두 적층 표면에서 적층 경계면까지 점차적으로 경도값이 증가하는 특성을 보였으며 레일 원소재 영역에서는 경계면 근처에서 상대적으로 높은 경도값을 가졌다. 이는 적층 영역에서 레이저에 의한 가열사이클의 반복횟수와 냉각속도의 차이에 따라 생성되는 미세조직 특성이 달라지고 이로 인해 경도값의 차이가 발생한 것으로 판단된다. 또한 레일 원소재 영역에서는 적층경계면 근처에서 레이저 열원의 영향을 가장 크게 받기 때문에 이로 인해 생성되는 미세조직 차이로 높은 경도값을 가지는 것으로 추정된다. This study analyzed the results of rail maintenance performed with additive manufacturing technology. Additive manufacturing can be applied as a maintenance technology for rail surface abrasion and defects caused by repeated train loads. To understand the characteristics of the process, rail specimens were produced by adding repair material to a certain height with directed energy deposition after cutting the top of a rail. Two types of materials, SUS316L and SUS630, were applied as repair materials, and laser scanning was done with directions of 0° and 0°/90°. The hardness was measured sequentially from the deposited surface to the center of the rail at the cross section. The results showed that the hardness value gradually increased from the deposited surface to the interface of the deposition and rail for both repair materials and had a relatively high value near the interface in the region of raw rail material. It is believed that the difference in the hardness value is due to the microstructure characteristics produced by the difference of the reheating cycle and the cooling rate in each layer. In addition, the hardness is directly affected by the laser heat source near the interface of the deposition and rail in the area of raw rail material, so it is estimated that the higher hardness value is due to the difference in microstructure generated by this phenomenon.

Filling Behavior of Polymer Melt in Micro Injection Molding for V-Grooves Pattern

Moo Sun Kim(김무선),Seung Mo Kim(김승모) 한국생산제조학회 2014 한국생산제조학회지 Vol.23 No.3

열차주행시 스프링하 중량에 따른 궤도 부담력 분석연구

김무선(Moo Sun Kim),홍재성(Jae Sung Hong),조용현(Yong Hyun Cho),심경석(Kyeong Suk Sim),박태원(Tae Won Park) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.6

SLM 기법으로 제작한 알루미늄 시편 내부 멜팅풀 미세조직 분석

김무선(Moo-Sun Kim) 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.12

선택적 레이저 용융 (SLM, Selective Laser Melting) 기술은 미세한 금속 분말 위에 레이저를 조사하여 특정영역의 융착을 진행하고 이 과정을 반복적으로 진행함으로써 최종적으로 3차원 형태의 구조물을 제작하는 최신의 적층공정 기술이다. 적층 공정 기술 특성상 레이저에 의한 금속 소재의 용융 현상은 레이저의 조사 방향과 적층 방향 등 공정 조건에 의해 방향성을 가지게 되며 이로 인해 구조물 내에서 금속 소재 조성은 불균일 특성을 보인다. 본 연구에서는 SLM 기술을 적용하여 알루미늄 (AlSi10Mg) 시편을 제작하고 시편 내부의 소재 조성 특성을 분석하였다. 시편은 적층 제작 방향을 기준으로 0°, 45°, 90° 로 구분하여 실린더 형태로 제작하였으며 시편 평면의 표면 형상을 광학적으로 분석하였다. 그리고 레이저 조사로 생성되는 시편 내부의 멜팅풀 형상을 대상으로 하여 멜팅풀 내부와 경계면에 대해 각각 TEM 분석을 수행하였다. 분석 결과로부터 멜팅풀 내부와 경계면의 미세 셀 구조의 차이를 확인하였고, Si 의 조성비율이 셀의 경계면에서 더 높게 보임을 확인하였다. Selective Laser Melting (SLM) technology is state-of-the-art additive manufacturing process technology that produces a three-dimensional structure by irradiating a laser on a fine metal powder to perform the fusion of a specific area and repeat this process. Owing to the characteristics of the additive manufacturing process, the melting phenomenon of the metal material by the laser has directionality depending on the process conditions, such as the irradiation direction of the laser and the build-up direction. For this reason, the composition of the metal material in the structure exhibits non-uniform characteristics. In this study, aluminum (AlSi10Mg) specimens were manufactured by applying SLM technology, and the material composition characteristics of the specimen were analyzed. The specimens were manufactured as cylinders by the build-up orientation of 0°, 45°, and 90°. The surface morphology of the specimen plane was analyzed optically. TEM analysis was performed on the core and the interface of the melting-pool inside the specimen generated by laser irradiation. The analysis results confirmed that there was a difference between the nano cell structure of the core and the interface of the melting-pool, and that the composition ratio of Si appeared higher at the interface than at the core of the cell.

DED 공정변수에 따른 SUS316L 적층 레일의 경도 특성 연구

김무선(Moo-Sun Kim) 한국산학기술학회 2023 한국산학기술학회논문지 Vol.24 No.10

본 연구에서는 적층공정 기술인 DED(directed energy deposition) 공정기술을 철도 레일에 적용하여 금속 적층을 진행하였을 때 적층면과 레일에서 발생하는 경도 특성의 변화를 시험 분석하였다. 레일은 열차의 반복되는 주행 하중에 의해 마모 및 표면결함이 자주 발생하는 철도 주요 인프라이며, 레일 표면을 복원하기 위해 마모면 상부에 금속 적층을 진행하는 방식의 유지보수방법을 고려할 수 있다. DED 공정기술은 레이저를 이용하여 얇은 융착 레이어를 반복하여 적층하는 방식의 열사이클로 인해 고유의 물성 변화 특징을 가진다. 본 연구에서는 DED 공정의 주요 변수 변화에 따라 발생하는 경도 특성 변화를 살펴보았다. 시편 제작은 레일 상부 절삭 후 DED 공정기술로 일정 높이만큼 적층 진행하였다. 적층 소재는 SUS316L을 적용하였으며 공정조건 변수는 레이저 출력 크기와 레이저 스캔 스피드를 다양화하여 시편을 제작하였다. 제작된 시편을 대상으로 레일 단면의 경도값(HV)을 적층 표면부터 레일목까지 순차적으로 측정하였다. 경도특성 분석 결과, 레이저 출력이 높을수록 적층면의 경도값은 낮아졌으며 레이저 스캔 속도가 높을수록 상대적으로 높은 경도값을 보였다. 레이저 출력과 레이저 스캔 속도가 연관된 에너지 밀도로 설명하면 결국 에너지 밀도가 높을 수록 경도값은 낮아짐을 의미한다. 이는 적층공정시 레이저에 의한 에너지 밀도가 높을수록 냉각속도가 느려지면서 이와 관련된 미세조직 특성의 변화로 인해 최종적인 경도 특성이 달라지는 것으로 판단된다. In this study, DED (directed energy deposition) process technology, one of the additive manufacturing process technologies, was applied to rails to analyze the hardness characteristics in the deposited area on a rail surface. A rail is the main infrastructure of a railway where wear and defects on the surface frequently occur due to the cycle of running loads of trains. To repair the rail surface, a maintenance method of metal deposition on the top of the worn surface can be considered. DED process technology has unique physical properties due to the thermal cycle of repeatedly stacking thin fused layers by using a laser. This study examined the changes in hardness characteristics according to the changes of key parameter values in DED process technology. Specimens were manufactured by cutting the upper part of a rail and depositing metal to a certain height using DED process technology. SUS316L was applied as the deposition material, and specimens were produced with varying laser power and laser scanning speed as DED process variables. The hardness value (HV) on the rail cross section of the manufactured specimen was measured sequentially from the deposition surface to the rail neck. As a result of the hardness characteristic analysis, the higher the laser power, the lower the hardness value of the deposition surface was, the higher the laser scanning speed was, and the higher the hardness value was. In terms of the energy density, which is related to the laser power and laser scanning speed, the higher the energy density, the lower the hardness value was. It is estimated that the cooling rate is slower in the fusion process due to the higher energy density of the laser affecting the microstructure characteristics in the deposited metal and change the final hardness characteristics.

열차간 가변편성을 위한 열차 전두부 시스템 현황 조사

김무선(Moo Sun Kim),홍재성(Jai Sung Hong),이강미(Kang Mi Lee) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.11

열차간 가변편성을 운영하는 경우, 목적지에 따라서 열차간 승객이 이동할 수 있도록 출입문으로 변형 가능한 열차 전두부 형상 설계 기술 확보와 승객이동을 위한 열차간 결합부위의 신뢰성 있는 안전통로 기술확보가 필수적이다. 현재 영국, 스웨덴, 덴마크, 일본 등 해외에서는 열차 분리결합을 위한 열차전두부의 가변 시스템을 운영중에 있으며, 국내의 유사한 적용사례는 비상탈출을 위한 전두부 형상 등이 전부이다. 향후 국내의 편성간 열차분리결합 기술을 개발하기에 앞서, 가변편성을 위한 열차전두부 시스템 개발을 위한 핵심요소 기술을 도출하고자, 현재 적용되고 있는 해외 사례들을 비교 분석하고, 시스템 개발을 위하여 고려해야 할 사항 등을 정리하였다. For the train variable formation, it is demanded the design technology of transformable train nose system and the technology of reliable safety passage formation for passengers to move at coupling region. At present, in overseas as England, Sweden, Denmark and Japan, the transformable train nose system is applied for train reformation and in domestic, as a similar case, front door system for emergency evacuation is applied. Therefore, in order to derive the core technologies for train nose system prior to development of train coupling technology in domestic, it is summarized the present cases of global and major consideration for transformable system.

섬유방향성을 고려한 복합소재 대차 프레임의 RTM 성형 특성 해석

김무선(Moo Sun Kim),김정석(Jung-Seok Kim),김승모(Seung Mo Kim) 한국철도학회 2015 한국철도학회논문집 Vol.18 No.4

철도차량용 공기압축기의 열교환기 최적 설계를 위한 해석 연구

김무선(Moo Sun Kim),정종덕(Jong Deok Chung),장성일(Seongil Jang),안준(Joon Ahn) 대한설비공학회 2017 설비공학 논문집 Vol.29 No.11

In this study, we examined the multi-stage piston-type air compressors typically used in a railroad vehicle, and the heat transfer efficiency was analyzed according to the design conditions of the heat exchanger (a compressor component module for cooling the compressed high temperature air). For the fin-tube heat exchanger used in the most air compressors, numerical analysis was performed to analyze heat transfer by defining the various rectangle tube sizes and the number of fin-per-unit area as design variables under the same flow rate of compressed air. Also, this analysis compared the temperature of the compressed air. Regarding environmental conditions for analysis, the flow rate of the external cooling air was measured and the mean value of the values was applied. And a “turbulence model” was considered in both the external flow of the cooling air and the internal flow inside the tube. From the results of analysis, it was found that the change of the aspect ratio value of the tube greatly influences the heat transfer efficiency of the compressed air, and influences if the fin density is relatively small. As a result, the optimum design specifications of the heat exchanger for air compressors were confirmed based on the analysis of the heat transfer efficiency, according to the design conditions of fin and tube by the operating temperature range of the compressed air.