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      • KCI등재

        Type Ⅲ 수소 저장 용기에서 난류 모델(Turbulence Model)에 따른 충전(Filling)현상의 수치 해석적 연구

        김무선,류준형,이성권,최성웅 한국수소및신에너지학회 2021 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.32 No.6

        With continuous emission of environmental pollutants and an increase in greenhouse gases such as carbon dioxide, demand to seek other types of energy sources, alternative energy, was needed. Hydrogen, an eco-friendly energy, is attracting attention as the ultimate alternative energy medium. Hydrogen storage technology has been studied diversely to utilize hydrogen energy. In this study, the gas behavior of hydrogen in the storage tank was numerically examined under charge conditions for the Tpe III hydrogen tank. Numerical results were compared with the experimental results to verify the numerical implementation. In the results of pressure and temperature values under charge condition, the Realizable k-ε model and Reynold stress model were quantitatively matched with the smallest error between numerical and experimental results.

      • KCI등재

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

        김무선,Kim, Moosun 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.11

        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. 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.

      • KCI등재

        SLM 공정 기법으로 제작한 AlSi10Mg 인장특성에 관한 연구

        김무선 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 스캔 스피드 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.

      • KCI등재

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

        김무선 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 제품 제작 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 표면 거칠기를 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 최종 시편의 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.

      • KCI등재

        Type Ⅲ 수소 저장 용기에서 가스 모델(gas model)에 따른 배출(discharge) 현상의 수치 해석적 연구

        김무선,류준형,정수연,이성우,최성웅 한국수소및신에너지학회 2020 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.31 No.6

        Hydrogen is attracting attention as an alternative energy source as an eco-friendly fuel without emitting environmental pollutants. In order to use hydrogen as an energy source, technologies such as hydrogen production and storage must be used, and new storage methods are being studied. In this study, the behavior of hydrogen in the storage tank were numerically studied under high-pressure hydrogen discharge conditions in a Type III hydrogen tank. Numerical results were compared with the experimental value and the results were quantitatively analyzed to verify the numerical implementation. With the results of pressure and temperature values under a given discharge condition, the Redich-Kwong gas model showed the adequate models with the smallest error between numerical and experimental results.

      • KCI등재

        레이저 적층제조기술로 제작한 폴리아미드 12 시편의 인장특성 연구

        김무선 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.11

        복합 형상 부품 제작 및 제작 공정의 일체화 장점으로 3D 프린팅 기술의 적용 분야가 확대되고 있으며, 지속적인 연구 개발에 의해 다양한 기술방안들이 등장하고 있다. 대표적인 기술로는 파우더 형태의 소재 위에 레이저를 조사함으로써 원하는 영역을 소결 및 적층 제작하는 방식의 SLS 기술이 있으며, 고성능의 엔지니어링 플라스틱을 활용하여 실제 사용할 수 있는 부품을 제작하는 사례가 늘어나고 있다. 본 연구에서는 활용도가 높은 고분자 소재인 폴리아미드 12 소재 및 글라스 비드가 보강된 폴리아미드 12 소재를 대상으로 인장시편을 제작하여 시편 제작 방향 및 인장 시험 온도에 따른 특성 결과를 비교 분석하였다. 시편 제작방향은 작업 평면 기준으로 0°, 45°, 90° 로 구분하였으며, 인장시험온도는 -25℃, 25℃, 60℃로 조건을 구분하였다. 시험 결과로부터 제작 방향이 90°에 가까울수록 두 소재 모두 탄성률의 미세한 감소를 보였으며, 인장강도는 PA12보다 글라스 비드 보강 PA12가 제작방향에 대한 의존성을 명확하게 보였다. 또한 시험 온도 증가에 따라 탄성률 및 인장강도의 저하를 확인할 수 있었다. The application of 3D printing technology is expanding due to the production of the complex-shape parts and the one-step manufacturing process. Moreover, various technical solutions in 3D printing are emerging through continuous research and development. Representative technologies include SLS technology, in which a desired area is sintered and laminated by irradiating a powder-type material with a laser. In addition, high-performance engineering plastic parts are being manufactured in increasing numbers. In this study, tensile specimens were fabricated from polyamide 12, a widely available polymer, and the glass bead-reinforced polyamide 12. The specimen-build orientation was divided into 0°, 45°, and 90° on the fabrication platform, and the tensile test temperature was -25℃, 25℃, and 60℃. The test results showed that the tensile modulus of both materials decreases as the build orientation becomes closer to 90°. In addition, the tensile strength of glass bead-reinforced PA12 showed more dependence on the build orientation than PA12. In addition, the tensile modulus and tensile strength decreased with increasing test temperature.

      • KCI등재

        수치해석을 활용한 마찰교반용접 공정의 온도 특성 분석 연구

        김무선 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.12

        Friction Stir Welding is a welding technique for metal materials that utilizes the heat generated by friction between the material to be welded and the welding tool that rotates at high speed. In this study, a numerical analysis method was used to analyze the change in the internal temperature of the welded material during friction stir welding. As the welding target material, AZ31 magnesium alloy was applied and the welding phenomenon was considered a flow characteristic, in which a melting-pool was formed. FLUENT was used as the numerical tool to perform the flow analysis. For flow analysis of the welding process, the welding material was assumed to be a high viscosity Newtonian fluid, and the boundary condition of the welding tool and the material was considered to be the condition that friction and slippage occur simultaneously. Analyses were carried out for various rotational speeds and the translational moving speed of the welding tool as variables. The analysis results showed that the higher the rotational speed of the welding tool and the slower the welding tool movement speed, the higher the maximum temperature in the material increases. Moreover, the difference in the rotational speed of the welding tool has a greater effect on the temperature change. 마찰교반용접(Friction Stir Welding) 기술은 금속 소재를 대상으로 하는 용접기술 중의 하나로 용접대상이 되는 소재와 고속으로 회전하는 용접툴 사이의 마찰로 인한 열을 활용하여 소재의 융점 이하 온도에서 접합하는 기술이다. 이번 연구에서는 마찰교반용접을 진행할 때, 용접 대상물의 내부 온도 변화를 분석하기 위한 방법으로 수치해석기법을 사용하였다. 용접소재로는 마그네슘 합금인 AZ31을 고려하였으며, 용접현상을 멜팅풀(melting-pool)이 생성되는 유동특성으로 간주하고 유동해석을 수행하기 위해 유동특성 수치해석 툴인 FLUENT를 이용하였다. 용접과정의 유동해석을 진행하기 위해 용접소재는 고점도 뉴턴 유체로 가정하였고, 용접툴과 용접대상 소재의 경계면은 마찰 및 미끄러짐이 동시에 발생하는 조건으로 경계조건을 선정하였다. 그리고 용접툴의 회전속도 및 용접속도를 변수로 하여 다양한 해석을 진행하였다. 해석 결과로부터 용접툴의 회전속도가 높을수록, 용접속도가 느릴수록 소재 내 최고온도가 증가함을 확인할 수 있었으며, 그 중 용접툴의 회전속도 차이가 온도 변화에 더 큰 영향을 보임을 확인하였다.

      • KCI등재

        유동 해석을 통한 마그네슘 합금의 마찰교반용접 분석 연구

        김무선,선승주,정석 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.12

        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. 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding)은 금속 소재 대상으로 용접 툴과 용접 재료의 마찰열을 이용하여 재료 융점 이하의 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.

      • KCI등재

        레이저 3D 프린팅 기법으로 제작한 열교환기 성능시험 분석 연구

        김무선 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.7

        3D printing is an additive manufacturing technology that can produce complex shapes in a single process for a range of materials, such as polymers, ceramics, and metals. Recent 3D printing technology has developed to a level that enables the mass-production through an improvement of the printing speed and the continuous development of applicable materials. In this study, 3D printing technology using a laser was applied to manufacture a heat exchanger for an air compressor in a railway vehicle. First, the optimal design of the heat exchanger was carried out by focusing on weight reduction and compactness as a shape suitable for 3D printing. Based on the design derived, heat exchanger prototypes were made of AlSi10Mg alloy material by applying the SLM technique. Moreover, the manufactured prototypes were attached to an existing air compressor, and the heat exchange performance of the compressed air was tested. The test results of the 3D printed prototypes showed a heat exchange performance of approximately 80% and 85% at low and high-pressure, respectively, compared to the existing heat exchanger. From the ε-NTU method results with an external cooling air condition similar to that of the existing heat exchanger, the calculated heat transfer amount of 3D printed parts showed similar performance compared to the existing heat exchanger. As a result, the 3D printed heat exchanger is lightweight with good performance. 3D 프린팅은 고분자, 세라믹, 금속 등 다양한 소재를 대상으로 복합적인 형상을 한 번의 공정으로 제작할 수 있는 적층 기반 제작 기술이다. 최근의 3D 프린팅 기술은 프린팅 속도의 향상과 적용 가능 소재의 지속적인 개발에 의해 양산형 제품 생산이 가능한 수준으로 발전하였다. 본 연구에서는 레이저를 활용한 3D 프린팅 기술을 적용하여 철도 차량용 공기 압축기에 쓰이는 열교환기 제작을 진행하였다. 먼저 3D 프린팅에 적합한 형상으로 경량화 및 컴팩트화를 주안점으로 열교환기의 최적 설계를 진행하였다. 그로부터 도출된 설계안을 기반으로 SLM 기법을 적용하여 AlSi10Mg 합금 소재로 열교환기 시작품을 제작하였다. 다음으로, 제작된 시작품을 기존 공기 압축기에 부착하여, 압축공기의 열교환 성능을 시험하였다. 3D 프린팅 시작품의 시험 결과는 기존 열교환기 대비하여 저압부와 고압부에서 열교환 성능은 각각 약 80% 및 85% 수준을 보였다, 하지만 외부 냉각공기 조건을 기존 열교환기와 유사한 조건으로 가정하였을 때 ε-NTU 법을 활용하여 계산한 열전달량은 기존 열교환기 대비하여 유사한 성능을 보여 주었다. 결과적으로, 3D 프린팅 제작 열교환기의 성능 효과 및 경량화 등의 장점을 확인할 수 있었다.

      • KCI등재

        물리적 표면처리 기법에 따른 복합소재 및 알루미늄간 접합특성 연구

        김무선 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.11

        In this study, the adhesion properties between aluminum and composite materials, composite materials, and composite materials were compared according to the physical surface treatment to improve mechanical bonding at the bonding surface when considering carbon fiber and glass fiber-reinforced composite materials. Bonded specimens were classified into the type of base material and the surface treatment method of the bonding surface. Sandpaper, sandblasting, and plasma were applied as physical surface treatment methods. The bonded specimen was prepared as a single lap joint test specimen. An experiment to measure the lap shear strength was conducted, and the results were compared. The experimental results confirmed that the mechanical abrasion and sandblasting treatment improved the lap shear strength approximately 4 to 5 fold compared to the general specimen without physical surface treatment. In plasma treatment, the experiment was conducted by defining the respective plasma output and treatment time as follows: 150 W and 5 minutes, 150 W and 10 minutes, and 300 W and 3 minutes. Moreover, the lap shear strength results were similar to the previous mechanical surface treatments. On the other hand, the effect on the adhesion properties was small, depending on the plasma treatment conditions. 본 연구에서는 탄소섬유 및 유리섬유 강화 복합소재를 대상으로 하여, 접합면에 기계적인 결합력 향상을 위해 물리적인 표면처리 방법을 적용할 때, 알루미늄 및 복합소재, 복합소재 및 복합소재 간의 접합특성을 비교 분석하였다. 접합시편은 접합을 위해 쓰이는 모재 종류와 모재 접합면의 표면처리 방법으로 각각 구분하였다. 물리적인 표면처리 방법으로는 기계적인 마모 (사포) 처리, sand blasting 처리 및 플라즈마 처리기법을 적용하였다. 접합시편은 single lap joint 시편으로 제작하였으며 lap shear strength 측정 실험을 진행하여 그 결과값을 비교하였다. 실험 결과에서 기계적인 마모 및 sand blasting 표면 처리 방법이 물리적인 표면 처리를 진행하지 않은 일반 시편 대비하여 약 4~5배의 접합강도 향상이 있음을 확인하였다. 플라즈마 처리 기법을 적용한 방안에서는 플라즈마 출력과 처리 시간을 150 W 5분, 150 W 10분 및 300 W 3분 처리 조건으로 정의하여 실험을 진행하였으며, lap shear strength 결과에서 앞선 기계적 표면 처리 방안과 유사한 결과를 보였다. 다만 처리 조건에 따라서 접합특성에 미치는 영향은 적음을 확인하였다.

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