몰드형 건식 계기용 변압기 제작을 위한 수지 충진 해석 연구

김무선(Moosun Kim),장동욱(Dong Uk Jang),김승모(Seung Mo Kim) 한국산학기술학회 2016 한국산학기술학회논문지 Vol.17 No.12

철도 차량에 쓰이는 기존 유입식 형태의 계기용 변압기는 장치 내부에 절연유가 충진 된 형태이므로, 차량 운행 중에 내부 압력이 상승할 수 있는 가능성이 있으며. 그에 따른 폭발위험성이 존재한다. 따라서 폭발 방지를 위해 몰드형 건식 계기용 변압기를 개발 중에 있다. 몰드형 건식 계기용 변압기 개발시 주의 하여야 할 점은 몰드를 구성하는 절연용 에폭시 수지를 주입할 때 권선 코일이 감겨진 코어 주변에 기공이 없어야 한다는 것이다. 이는 몰드 내부의 기공에서 스파크 등의 발생 위험이 있기 때문이다. 몰드 내의 기공 발생 요인으로는, 수지 내에 미세 기공(micro void)이 잔재되어 있는 경우와, 성형 중 함침구조물의 형태에 따라서 대형 기공(macro void)이 발생할 수 있는 점 등이다. 현재 개발 중인 코어는 변압기 성능 향상을 위해 중공(cavity)이 존재하는 형태이며 점도가 높은 에폭시 주입시 중공 내부에 대형 기공이 갇힐 위험이 있다. 따라서 이번 연구에서는, 몰드 내부에 발생할 수 있는 대형 기공의 형성 과정을 이해하고, 기공 형성 요인을 제거할 수 있는 방안으로, 개선된 성형 조건 적용시 기공 형성 결과를 확인하기 위해, 몰드 충진 과정을 VOF기법을 적용한 자유 표면 유동의 수치해석을 통하여 확인하였다. Current oil-type potential transformers for trains are filled with insulating oil, which could have problems like explosions due to rising inner pressure during train operation. Therefore, mold and dry-type potential transformers are being developed to prevent explosions. One problem in manufacturing mold-type transformers is preventing void formation around the coiled core inside the mold during epoxy filling, which could cause an electrical spark. Micro voids can remain in the resin after filling, and macro voids can occur due to the structure shape. A transformer that is being developed has a cavity at the junction of the core and the coil for better performance, and when highly viscous epoxy flows inside the cavity channel, macro voids can form inside it. Therefore, in this study, the free-surface flow of the mold filling procedure was analyzed numerically by applying the VOF method. The results were used to understand the phenomena of void formation inside the cavity and to modify the process conditions to reduce voids.

대차 프레임 스킨의 두께에 따른 RTM 공정 특성 분석 연구

김무선 ( Moosun Kim ),김정석 ( Jung Seok Kim ),김승모 ( Seung Mo Kim ) 한국복합재료학회 2015 Composites research Vol.28 No.6

이번 연구에서는 기존 철도차량의 대차 시스템에서 금속재로 제작되어온 대차 프레임 스킨을 대상으로, RTM 공정을 활용하여 복합소재로 제작할 때, 수치 해석 결과를 활용한 공정 특성을 분석하였다. 대차 프레임 스킨의 횡단면을 기준으로 두께의 변화에 따른 성형공정시간을 비교하였으며, 그에 따른 대차 프레임 스킨의 중량변화도 함께 고려하였다. 결과적으로, 내부 섬유 매트의 부피가 일정하다는 가정하에 프레임 스킨 두께의 증가에 따라 RTM 공정시간은 줄어들었으며, 전체 시스템 중량도 감소하는 효과를 보였다. 이 결과를 토대로 향후 대차프레임의 제조공정비용과 구조특성, 두 영역의 trade-off를 구현할 수 있는 설계 최적화 연구분야에서 제조공정 분야의 상대적 비용 산출을 위한 기본 자료로 활용할 수 있다. In this study, we analyzed process numerically when a bogie frame skin is manufactured by applying resin transfer molding process using composite material instead of steel. Processing time was compared based on the various thickness of bogie frame skin and the weight variation of a skin was also considered. As a result, RTM processing time decreases and the weight of a bogie reduces as the thickness of frame skin increases with the assumption that fiber volume is constant inside the skin. By considering these results as the information to estimate the production cost, trade-off between two fields, processing time and structural properties, can be performed in design optimization to produce bogie frame.

적층 기법으로 제작한 polyamide 12 소재 적용 구조물 표면 특성 분석 연구

김무선(Moosun Kim) 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.9

적층 기법 (Additive manufacturing)은 플라스틱, 세라믹, 금속 등 다양한 소재를 활용하여 구조물의 2차원 단면을 반복적으로 적층함으로써 3차원 구조물을 제작하는 최신 제조 공정기술이다. 적층 기법은 높은 디자인 자유도의 장점에 반해, 적층 기법의 특성상 최종 제품의 표면 특성(거칠기)은 공정 조건에 따라 다양하게 나타나므로, 대부분 제품제작 후 후가공이 필수적으로 진행되어야 한다. 이번 연구에서는 polyamide 12 소재를 대상으로 플라스틱 제품의 대표적인 적층 공정 방식인 SLS (Selective Laser Sintering) 및 MJF (Multi Jet Fusion) 공정 기술로 시편 제작 후 표면거칠기를 비교 분석하였다. 시편은 분석 표면이 제작 플랫폼의 수평면과 이루는 기울기를 기준으로 0도, 45도, 90도로 제작 조건을 구분하였으며, 또한 1 mm에서 10 mm까지 다양한 사이즈의 홀(hole)이 있는 구조물을 제작하여 최종시편의 홀 특성(홀 직경 대비 홀 깊이 비율) 결과를 비교하였다. 표면 특성 분석 결과 SLS 및 MJF 두 방식 모두 45도 기울기를 갖는 시편에서 표면 거칠기 값이 상대적으로 가장 높았으며 홀 성형은 5mm 및 10mm 직경 홀의 경우 제작방향에 상관없이 관통된 홀 형상을 유지되나, 그 이하 직경의 홀에 대해서는 두 공정 기술 모두 관통된 홀 성형이 어려움을 확인하였다. Additive manufacturing is a state-of-the-art manufacturing process technology in which three-dimensional structures are fabricated by laminating two-dimensional sections of a structure using various materials such as plastic, ceramics, and metals. The additive manufacturing technology has the advantage of high design freedom, while the surface property (roughness) of the finished product varies depending on the process conditions, which necessitates performing a post-process after the products are manufactured. In this study, the surface roughness of a structure made of polyamide 12, which was manufactured by SLS (Selective Laser Sintering) and MJF (Multi Jet Fusion) process was compared. The processing condition was classified by the building orientation of structure as 0, 45, and 90 degrees, which is the angle between the analytical surface and the horizontal plane of the fabrication platform. Structures with a hole of various diameters ranging from 1mm to 10mm were manufactured and the hole characteristics (ratio of hole depth to diameter) and results of the specimens were compared. As a result of the surface characteristics analysis, the surface roughness value of the specimens manufactured with a building orientation of 45° was the highest in both technologies. In the case of the through-hole structure fabrication, the shape was maintained with 5mm and 10mm diameter holes regardless of the building orientation, although the hole forming was difficult for the smaller holes.

유동 해석을 통한 마그네슘 합금의 마찰교반용접 분석 연구

김무선(Moosun Kim),선승주(Seung-Ju Sun),김정석(Jung-Seok Kim) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.12

마찰 교반 용접(Friction Stir Welding)은 금속 소재 대상으로 용접 툴과 용접 재료의 마찰열을 이용하여 재료 융점이하의 온도에서 접합하는 용접 기법이다. 이번 연구에서는 금속 접합시 쓰이는 마찰 교반 용접 기법을 활용하여 마그네슘 합금(AZ31)을 용접할 때, 용접시 발생하는 용접 대상인 마그네슘 합금의 온도 및 속도 변화에 대해 유동 해석 기법을 활용하여 분석하였다. 분석을 위해 유동 해석 툴인 플루언트를 활용하여 모델링 및 해석을 진행하였다. 먼저 용접 소재는 온도에 따라 변하는 고점도 뉴턴 유체로 가정하였으며, 나선형 홈이 있는 용접 툴의 회전에 의한 회전 유동 발생을 모사하기 위해 회전 영역과 정지 영역으로 구분하여 모사하였다. 용접 툴과 용접 재료 사이의 인터페이스는 마찰 및 미끄러짐 경계조건을 부여하여 용접 툴로의 열전달 효과를 고려하였다. 위의 유동 해석 모델링을 통한 과도 해석 결과로부터 시간의 변화에 따른 용접 소재의 속도와 온도 특성을 파악할 수 있었다. Friction Stir Welding is a metal welding technique, in which friction heat between a welding tool and a welding material is used to weld parts at temperatures below the melting point of a material. In this study, the temperature and velocity changes in a magnesium alloy (AZ31) during the welding process were analyzed by computational flow dynamics technique while welding the material using a friction stir welding technique. For the analysis, the modeling and analysis were carried out using Fluent as a fluid analysis tool. First, the welding material was assumed to be a temperature-dependent Newtonian fluid with high viscosity, and the rotation region and the stationary region were simulated separately to consider the rotational flow generated by the rotation of the welding tool having a helical groove. The interface between the welding tool and welding material was given the friction and slip boundary conditions and the heat transfer effect to the welding tool was considered. Overall, the velocity and temperature characteristics of the welded material according to time can be understood from the results of transient analysis through the above flow analysis modeling.

3D 프린팅 적용 철도차량용 공기압축기의 열교환기 설계 및 제작 기술 연구

김무선(Moosun Kim) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.11

3D 프린팅 제조 기술은 폴리머 및 금속 소재를 구조물 형상으로 적층하여 제품을 제작하는 성형기술로서, 설계 자유도가 높고 기능성을 요구하는 부품 제작에 유리하다. 또한 다품종 소량 생산 특성으로, 향후 철도 차량 부품 제작에 적합한 기술이다. 3D 프린팅 기술의 장점을 충분히 활용하기 위해서는 제품 설계시 공정 특성 고려가 필수이다. 이번 연구에서는 철도차량용 공기압축기의 열교환기를 대상으로, 3D 프린팅 기법 적용을 통한 제작을 위해, 성능과 공정조건을 고려한 제품의 재설계 및 제작 기술을 연구하였다. 먼저 열교환기의 성능을 높이기 위한 설계 컨셉을 정의하고 기존 열교환기의 시험을 통해 성능 분석 후, 이를 만족하기 위한 컨셉 설계 범위를 지정하였다. 또한 금속 3D 프린팅의 제작 한계 및 제작 시간, 특성 등을 고려하여, 상세 설계에 관한 수정을 진행하였다. 도출된 최종 설계안을 토대로, 알루미늄 소재를 사용하여 3D 프린팅 공정을 통해 제품을 제작하고 치수 정밀도를 만족함을 확인하였다. 최종 중량은 기존 제품 대비 41%의 중량 절감 효과를 보였다. 본 연구를 통해, 3D 프린팅 기술 활용을 위한 제품 설계 과정을 정립함으로써, 향후 3D 프린팅 기술 적용시 효율적인 설계가 가능할 것이다. 3D printing technology is a manufacturing process for products, in which polymer and metal materials are laminated to form structures. It is advantageous for manufacturing parts requiring a high degree of design freedom and functionality. In addition, it would be a suitable technology for the production of parts for railway vehicles in the future, due to the need to produce parts in small quantities. In order to fully exploit the advantages of 3D printing technology, it is necessary to consider the process characteristics during the design of the product. In this study, the redesign and manufacturing technology of the product considering the performance and process conditions were studied for the heat exchanger in the air compressor of railway vehicles, as a trial application of the 3D printing technique. First of all, the design concept to improve the performance of the heat exchanger was defined, and the design range was specified to satisfy the performance of the present heat exchanger analyzed experimentally. Then, the detailed design was revised considering the characteristics of the metal 3D printing process, such as the manufacturing restrictions and production time. Based on the final design, the product was fabricated by the 3D printing process using aluminum material, and it was confirmed that the dimensional accuracy was satisfied. The weight of the final product was reduced by 41% compared with the existing products. The results of this study will make it possible to develop an efficient product design process for 3D printing technology.

SLM 공정 기법으로 제작한 AlSi10Mg 인장특성에 관한 연구

김무선(Moosun Kim) 한국산학기술학회 2018 한국산학기술학회논문지 Vol.19 No.12

선택적 레이저 용융 (Selective Laser Melting) 기법은 금속 소재를 다루는 대표적인 3D 프린팅 기법중의 하나이다. SLM 기법으로 제작되는 구조물의 특성을 좌우하는 주요 제작 인자로는 구조물의 적층 제작 방향, 레이저 파워, 레이저 스캔스피드 및 스캔 간격 등을 고려할 수 있다. 이번 연구에서는 AlSi10Mg 합금을 대상 소재로 하여, 인장 시편의 제작 방향, 레이저 스캔 스피드 및 스캔 간격을 변수로 하여, 인장특성 결과를 비교 분석하였다. 인장특성으로는 항복 응력, 인장강도 및 연신율을 고려하였다. 시험결과로부터, 인장 시편의 제작 방향 기준으로 0도, 45도, 90도 순서로 항복 응력 값이 낮아짐을 확인하였다. 레이저 스캔 스피드 기준으로는 1870mm/min에서 가장 큰 항복 응력값을 보였으며, 스캔 스피드가 낮아질수록 항복 응력 크기도 줄어들었다. 레이저 스캔 간격 기준으로, 그 크기가 증가할수록 항복 응력값은 증가하지만, 다른 시험 기준에 비해 그 변화폭은 가장 적었다. 인장강도 및 연신율은 시험조건에 따른 명확한 경향성을 파악하기 어려웠다. Selective Laser Melting is one of the representative 3D printing techniques for handling metal materials. The main factors influencing the characteristics of structures fabricated by the SLM method include the build-up angle of structures, laser power, laser scan speed, and scan spacing. In this study, the tensile properties of AlSi10Mg alloys were investigated by considering the build-up angle of tensile test specimens, laser scanning speed and scan spacing as variables. The yield stress, tensile strength, and elongation were considered as tensile properties. From the test results, it was confirmed that the yield stress values were lowered in the order of 0 , 45 , and 90 based on the manufacturing direction of the tensile specimen. The maximum yield stress value was obtained at 1870 mm / min based on the laser scan speed. The yield stress size decreased with decreasing scan speed. Based on the laser scan spacing, as the value increases, the yield stress increases, but the variation is smaller than the other test criteria. The tendency of the tensile strength and elongation variation depending on the test conditions was difficult to understand.

선택적 레이저 소결 제작 폴리아미드 12 시편의 온도별 굴곡 특성 연구

김무선(Moosun Kim) 한국산학기술학회 2018 한국산학기술학회논문지 Vol.19 No.11

3D 프린팅 (적층 공정) 기술은 소재와 공정기술의 지속적인 연구개발을 토대로 초기 모형 제작 활용으로부터 현재는 산업현장의 양산형 부품 제작까지 그 쓰임새가 확대되고 있다. 3D 프린팅의 대표적인 고분자 소재로서 고강도 엔지니어링 플라스틱의 하나인 polyamide (폴리아미드) 계열의 소재는 제품의 경량화 및 내구성의 장점으로 자동차용 부품 제작에 주로 활용된다. 이번 연구에서는 적층기법 중 제작품의 물성이 우수한 선택적 레이저 소결 기법 (Selective Laser Sintering)을 적용하여 polyamide 12 (PA12) 및 글라스 비드 (glass bead) 보강 PA12 소재 2가지를 대상으로 시편을 제작하고 온도에 따른 굴곡특성을 분석하였다. 작업 플랫폼 기준으로 0°, 45°, 90° 방향으로 각 시편을 제작 후, -25 ℃, 25 ℃, 60 ℃ 등 3개 시험온도 환경에서 굴곡 테스트를 진행하였다. 그 결과로, PA12 는 –25 ℃ 에서 90° 제작 방향이, 25 ℃ 와 60 ℃에서는 0° 제작방향이 최대 굴곡강도를 가졌다. 글라스비드 보강 PA12는 제작방향이 0°인 겨우 모든 시험온도에서 최대 굴곡강도 값을 보였다. 두 소재의 서로 다른 굴곡강도 변화 경향은 굴곡시험시 발생하는 응력 종류에 따라 적층 레이어 평면 방향에 의한 영향이 서로 다르기 때문으로 판단된다. The use of 3D printing (Additive Manufacturing) technology has expanded from initial model production to the mass production of parts in the industrial field based on the continuous research and development of materials and process technology. As a representative polymer material for 3D printing, the polyamide-based material, which is one of the high-strength engineering plastics, is used mainly for manufacturing parts for automobiles because of its light weight and durability. In this study, the specimens were fabricated using Selective Laser Sintering, which has excellent mechanical properties, and the flexural characteristics were analyzed according to the temperature of the two types of polyamide 12 and glass bead reinforced PA12 materials. The test specimens were prepared in the directions of 0°, 45°, and 90° based on the work platform, and then subjected to a flexural test in three test temperature environments of -25 °C, 25 °C, and 60 °C. As a result, PA12 had the maximum flexural strength in the direction of 90° at -25 °C and 0° at 25 °C and 60 °C. The glass bead-reinforced PA12 exhibited maximum flexural strength values at all test temperatures in the 0° fabrication direction. The tendency of the flexural strength changes of the two materials was different due to the influence of the plane direction of the lamination layer depending on the type of stress generated in the bending test.

몰드형 건식 계기용 변압기 진동 특성 분석

김무선(Moosun Kim),장동욱(Dong Uk Jang),김승모(Seung Mo Kim) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.3

현재 철도 차량에 쓰이고 있는 대부분의 계기용 변압기는 장치 내부에 절연유가 충진되어 있는 유입식 계기용 변압기방식으로서, 내구 연한 도래와 더불어 차량 운행 중 내부 압력 상승에 의해 폭발의 위험성이 있다. 이에 대한 해결책으로 절연 수지를 사용하여 방압 기능이 탁월한 몰드형 건식 계기용 변압기 개발이 필요하다. 이에 제품의 국산화가 가능하도록 한국철도기술연구원에서는 몰드형 건식 계기용 변압기를 개발 진행 중에 있다. 그 연구의 일환으로 개발 제품의 진동 특성분석과 함께, 진동 환경하에서 변압기의 성능 유지 여부를 확인하여야 한다. 이번 연구에서는 철도 차량 부품의 진동 시험방법 규격인 KS R 9144 및 IEC 61373 에 따라서 개발 제품의 공진시험과 모의 장기 수명 시험을 진행하였다. 고유 진동수는 해석을 통한 모달 분석과 공진 시험을 병행하여 결과를 비교 분석하였으며 규격 조건을 만족함을 확인하였다. 또한 모의장기 수명 시험 후 성능 시험을 통해 오랜 시간 진동 환경 하에서도 개발 변압기의 기능에 문제가 없음을 확인하였다. Most of the present potential transformers of train vehicles are of the oil-type filled with insulating oil and are susceptible to problems such as explosion due to the increase in the internal pressure during train operation and poor reliability near the end of their life cycle. As a solution to this problem, it is necessary to develop a molded dry-type potential transformer with excellent pressure-resistance performance using insulating resin. In order to localize the product, the Korea Railroad Research Institute has been developing a molded dry-type potential transformer. As part of this research, it is necessary to analyze the vibration characteristics of the developed product and to check the transformer performance in a vibration environment. In this study, a resonance test and simulated long-term life test of the developed product were conducted according to the KS R 9144 and IEC 61373 standards, respectively, which are vibration test methods for railway vehicle parts. Their natural frequencies were analyzed by comparing the results of the numerical modal analysis and resonance test, in order to confirm their adherence to the standards. Also, the performance test after the simulated long-term life test confirmed that the operation of the developed transformer was not problematic even in a long-time vibration environment.

정위치 정차 성능 기반 전동차 광폭 출입문 시스템 개발 연구

김무선(Moosun Kim),홍재성(Jae-Sung Hong),김정태(Jungtai Kim),장동욱(Dong Uk Jang) 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.1

현재 서울 및 대부분의 광역도시에서 운영 중인 전동차는 출퇴근시 높은 혼잡도로 인해 열차 운행시간이 상습적으로 지연되고 있는 실정이다. 그 중 정차역에서 승객들의 승하차 시간에 따른 지연 효과도 큰 영향을 미친다. 이번 연구에서는 승객 승하차 시간을 단축시킴으로써 도시철도의 표정속도를 향상시킬 수 있는 방안으로 광폭 출입문 시스템 개발을 수행하였다. 먼저 광폭 출입문의 폭을 정의하기 위해 시험을 통하여 크기별 시간 단축 효과를 확인하고, 주변 기기와의 간섭 효과를 고려하여 열차의 정위치 정차 성능 향상을 조건으로 최적 사이즈를 정의하였다. 그리고 출입문 크기의 변경으로 인한 차량구체의 구조 특성이 바뀌게 되므로 구조 해석을 통해 구조 안정성을 확인하였다. 다음으로 광폭 출입문 시스템의 상세 설계를 진행하고 시작품을 제작하였으며 기능 시험과 내구 시험을 진행하여 제시한 설계안의 타당성을 검증하였다. 본 연구의 체계적인 개발 과정을 통해 향후 표정속도 향상을 위한 방안으로 광폭 출입문 적용시 출입문 크기 정의부터 시스템 제작까지 설계 자료로 활용할 수 있을 것이다. In Seoul and most metropolitan cities, urban trains are delayed due to high congestion during commute times. The delay effect of passengers boarding and disembarking is also significant. In this study, a wide passenger door system was developed as a way to improve the scheduled speed of urban trains by decreasing the passengers" flow time. The door size was defined experimentally to shorten the entrance time. The optimum door size was also determined to improve the stop precision performance of the train while considering the interference effect with peripheral devices. Because the change in door size changes the structural characteristics of the vehicle, the structural stability of a train was analyzed numerically. A prototype of the wide door system was made, and the proposed design was verified using functional and endurance tests. The systematic development process can be used as design data for door size definition and system production when applying a wide door to improve the scheduled speed.

실시간 열차 속도 프로파일 최적화 기법에 관한 연구

김무선(Moosun Kim),김정태(Jungtai Kim),박철홍(Chul-Hong Park) 한국산학기술학회 2016 한국산학기술학회논문지 Vol.17 No.8

열차 운영사의 관점에서, 열차 운행에 관한 주요 관심사는 정해진 운행시간의 준수뿐만 아니라, 그와 동시에 열차 운행을 위해 소비되는 에너지 량을 최소화하는 것이다. 일반적인 수동 운전시, 기관사는 운행 노선의 특성에 따라 미리 규정 된 최대 속도 프로파일을 기준으로, 노치를 제어함에 따라 규정 속도를 넘지 않도록 열차의 가감속을 조절한다. 이때 규정 속도를 준수하면서 동시에, 전체 운행 중에 소요되는 에너지 량의 절감을 위해, 기관사가 적절한 노치를 선택할 수 있는 구간 별 노치 지정 가이드가 있어야 하며, 이는 운행구간에서의 노치 단계 최적화라는 절차를 통해 가능하다. 본 논문에서는 일반 적인 운행 환경뿐만 아니라, 열차가 운행 중에 일시적으로 잔여구간의 트랙 정보 또는 규정속도 정보가 변경되는 이벤트 발생시에도 변화된 정보들을 기반으로 실시간으로 잔역구간의 노치 단계를 최적화 할 수 있는 유전 알고리즘을 활용한 실시 간 노치 최적화 방안을 제안하였다. 또한 유전 알고리즘을 통해 얻어진 최적해를 적용할 때 에너지 절감 효과와 최적해 수렴 특성에 관하여 분석하였다. In the point of view of a train operator, the main concern with a train operation is not only to maintain a time schedule, but also to decrease the energy consumption as much as possible. Generally for a manual drive, a train conductor controls the train acceleration and deceleration by controlling the notches not to exceed the regulation velocity by considering the given maximum velocity profile for an operation route. For this case, the guideline for a conductor is needed to choose the proper notches by applying the notch optimization so as to drive at the regulation velocity and minimize energy consumption simultaneously. In this paper, the real-time notch optimization plan is suggested using a genetic algorithm that optimizes the notches for the remaining route in real time when the event occurs that track information or regulation velocity profile of the remaining route changes during train operation as well as a normal operation situation. An energy saving effect and the convergence behavior of the optimal solution obtained was analyzed in a genetic algorithm.