무윤활 상태에서 3D 프린팅용 ABS-like 레진의 마찰 및 마모 특성에 관한 연구

2.1 3D 프린팅

본 연구에서는 SLA 방식의 3D 프린터(Fig. 1, XFAB2000, DWS)를 활용하여 실험에 필요한 시편을 제작하였다. 3D 프린팅 소재는 DWS사에서 제공하는 Invicta 915 ABS-like 레진을 사용하였다. Table 1은 실험에 사용된 ABS-like 레진의 물성을 보여주고 있으며, Table 2와 Fig. 2는 각각 출력된 핀, 볼 및 디스크의 치수와 프린팅 방향을 나타내고 있다.

Fig. 1

SLA 3D printing systems (XFAB2000, DWS)

Table 1

Material properties of ABS-like resin (Invicta 915, DWS)9

Table 2

Specification of 3D printed specimen

Fig. 2

Printing direction; (a) Ball, (b) Pin, and (c) Disc

3D 프린팅의 방향은 서포트(Support)에서 시편을 떼어 낸 후 마모 실험이 용이한 방향으로 선정하였다. 핀의 경우는 Fig. 2(a)의 서포트의 반대면을 접촉면으로 하였으며, 디스크의 경우 마모 실험 시 양측 면의 표면 상태를 유사하게 하기 위해 Fig. 2(a)와 같이 프린팅 방향을 설정하였다.

2.2 마찰 및 마모 실험

실험을 위해 Table 3과 같이 핀온디스크 실험과 볼온디스크 실험에서 ABS-like 레진 사이의 마찰 및 마모 특성과 ABS-like 레진과 SUS304 사이의 마찰 및 마모 특성을 확인할 수 있도록 실험을 구성하였다.

Table 3

Test types and cases

3D 프린터로 출력된 두 ABS-like 레진 사이의 마찰 및 마모 실험을 위하여 실시간 마찰 및 마모량(Wear Amount) 모니터링 시스템이 장착된 NEOPLUS사의 NEO-TRIBO MFW120 마찰·마모시험기를 활용하였다. 장치에는 미끄럼 운동 중 계면마찰을 측정할 수 있도록 로드셀(YA21, SETech)이 장착되어 있으며 시편의 마모량을 측정하기 위해 비접촉식 리니어 스케일(MS40, RSF Elektronik Ges.M.B.H.)이 장착되어 실험 전·후의 핀 혹은 볼과 디스크의 마모를 측정한다. 마모량의 정의는 마모된 면의 면적 또는 부피, 무게 감소 등 다양하게 정의될 수 있으나, 일부 연구에서 마모흔의 깊이로 마모량을 도시하는 경우도 있다.^10,11 본 연구에서의 마모량은 디스크와 핀 혹은 볼의 전체 마모량을 뜻한다. 실험에 이용된 볼(Ball), 핀(Pin), 및 디스크(Disc)는 SLA 방식으로 출력되었으며, ABS-like 레진과 SUS304와의 마찰 및 마모 특성을 확인하기 위해 SUS304로 제작된 볼과 핀이 준비되었다. 각각의 치수는 Table 2에 나타내었다.

핀온디스크 실험 장치는 ASTM G99, 볼온디스크 실험 장치는 ISO 7148, ISO 20808에서 제안하는 테스트 모드를 만족한다.

Fig. 3은 핀온디스크와 볼온디스크 실험 장치를 보여주고 있다. 디스크 형 시편은 회전 테이블에 장착이 되며, 핀 및 볼은 Fig. 3과 같이 홀더에 체결되어 고정된 핀 및 볼과 디스크 사이의 상대운동을 발생시키는 구조이다. 핀온디스크 방식은 상대재간의 면접촉 상태에며, 볼온디스크 방식은 점접촉이 발생하게 된다. 일반적으로 하중과 선속도는 관찰하고자 하는 접촉현상을 모사할 수 있도록 선정된다.

Fig. 3

Pictures of friction and wear measurement systems, (a) Pin-on-Disk and (b) Ball-on-Disk

본 연구에서는 볼온디스크와 핀온디스크 실험을 위해 선속도는 157.08 mm/s로 고정되었으며 각각의 실험에서 시편에 가해지는 하중을 5 N, 15 N으로 변화시키며 1시간 동안의 마찰거동을 관찰하였다. 디스크의 회전속도는 일반적으로 사용되는 60-600 rpm의 디스크 회전 조건 중 300 rpm으로 선정하였으며 선속도는 트랙 반경을 고려하여 계산되었다. 구체적인 실험조건은 Table 4에 나타내었다. ABS-like 레진과 SUS304의 마찰 및 마모 시험에서는 15 N의 하중 조건을 이용하였으며, 모든 실험은 무윤활 상태에서 진행되었다. 실험 중 마찰에 의한 시편 온도변화의 측정은 적외선카메라(Fluke-59)를 이용하였으며 전용 소프트웨어를 활용하여 온도의 최대값을 측정하였다. Fig. 4는 실험 중 적외선카메라를 통한 온도 측정의 예(핀온디스크, ABS-like 레진 간의 상대운동 조건, 하중 5 N, 선속도 157.08 mm/s)이다.

Table 4

Experimental condition

Fig. 4

Temperature measurement with an infrared camera during pin-on-disk experiment (Between ABS-like regins, load 5 N, line speed 157.08 mm/s)

각각의 실험에서의 표면거칠기의 변화는 공초점 레이저 현미경(Confocal Laser Scanning Microscope)을 사용하여 측정하였다. SLA 방식의 3D 프린터로 출력된 시편의 평균 표면거칠기(Ra)는 평균 1.20 μm이다. Fig. 5 실험 후 원형 마모 흔적의 3개 지점에서 표면거칠기를 측정하였다.

Fig. 5

Surface profile of prepared disc sample before experiment

3.1 하중변화에 따른 ABS-like 레진 간의 마찰 및 마모 특성

ABS-like 레진으로 출력된 핀 및 볼과 디스크 사이의 마찰 및 마모 특성을 파악하기 위하여 하중변화에 따라 핀온디스크와 볼온디스크 실험을 실시하였다.

Fig. 6은 ABS-like 레진 간 상대운동에서 하중 변화에 따른 볼온디스크 실험과 핀온디스크 실험에서 마모거리(Wear Distance)에 따른 마찰계수(Coefficient of Friction, COF) 변화를 보여준다. 마찰 신호의 측정을 위한 샘플링 주파수는 60Hz로 설정되었다.

Fig. 6

Coefficient of friction as a function of wear distance; (a) Ball-on-Disk and (b) Pin-on-Disk

5 N과 15N 하중을 부여할 경우 볼온디스크 실험의 평균 마찰계수는 각각 0.581, 1.066이고, 핀온디스크 실험의 경우 각각 0.701과 1.121의 값을 가진다. 또한, 전반적으로 접촉면적이 넓은 핀온디스크 실험에서 볼온디스크 실험에 비하여 높은 마찰계수를 보인다. 핀온디스크 실험에서 마모거리가 길어짐에 따라 안정적인 마찰 특성을 보이지만, 높은 하중 하에서의 볼온디스크 실험에서는 마모거리가 증가함에 따라 마찰계수가 상승하는 경향을 보인다. 이러한 현상은 볼과 디스크의 동시 마멸에 따라 발생하는 접촉면적의 변화와 관련 있을 것으로 보인다. Fig. 7은 실험 후 관찰된 볼과 핀의 마모 상태를 보여준다. Figs. 7(a)와 7(b)에서 볼의 마모를 확인할 수 있으며, 하중이 증가할수록 볼의 마모량이 높음을 알 수 있다. 특히 15 N 하중을 부여한 핀의 경우, Fig. 7(a)에서와 같이 편마모 특성이 발견되며 실험 후 핀의 끝단이 휘어지는 현상이 발견되었다. 이는 높은 마찰과 마찰열에 의해 Table 1의 열변형온도(Heat Deflection Temperature, HDT) 이상에서 핀의 변형이 발생했기 때문으로 판단된다.

Fig. 7

Images of balls and pins after experiments; (a) Ball(5 N), (b) Ball(15 N), (c) Pin(5 N), and (d) Pin(15 N)

Fig. 8은 실험 후 모니터링 시스템을 통해 측정된 마모량을 보여주고 있다. 측정된 마모량은 볼 및 핀의 마모와 디스크의 마모를 포함하고 있다. 5 N과 15 N 하중을 부여할 경우 볼온디스크 실험에서의 최대 마모량은 각각 0.099 mm, 0.231 mm이며, 핀온디스크의 경우 0.057 mm, 0.216 mm이다. 전반적으로 볼온 디스크 실험에서의 마모량이 핀온디스크 실험보다 많은 결과를 보이고 있으며, 이는 볼-디스크, 핀-디스크 간 접촉면적의 차이에 따른 접촉압력의 변화와 볼과 핀의 마모에 기인한 것으로 보인다.

Fig. 8

Wear amount as a function of experimental types and conditions; (a) Ball-on-Disk and (b) Pin-on Disk

Fig. 9는 볼온디스크와 핀온디스크 실험 중 적외선 카메라를 통해 측정된 최고 온도를 보여주고 있다. 동일한 ABS-like 레진으로 이루어진 핀 및 볼과 디스크 사이 마찰에 의한 온도는 5 N, 15N의 하중 조건 하에서 볼온디스크의 경우 최대 48.7°C와 132.06°C, 핀온디스크의 경우 51.63°C와 160.38°C까지 각각 상승하며 마찰 및 마모 실험 중 최고 온도가 130°C 이상인 15N의 하중 조건에서는 마모면의 색이 흰색에서 옅은 노란색으로 변하는 결과가 관찰되었다. 이는 마찰로 인해 발생하는 높은 마찰열 때문인 것으로 보인다. 높은 하중 조건에서 발생하는 높은 마찰력과 마찰열은 ABS-like 레진 긴 상대운동에 따른 마멸 깊이의 증가와 관련 있을 것으로 보인다. Fig. 10은 5 N과 15 N의 하중으로 볼온디스크와 핀온디스크 실험을 수행한 후 디스크 표면을 측정한 이미지이다. 또한 각각의 마모된 표면에서 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 측정된 이미지를 보여주고 있다. Figs. 10(a)와 10(b)는 각각 5N과 15 N 하중 하의 볼온디스크 실험의 결과를 보여주고 있으며 마모된 영역이 고하중 조건에서 넓은 것을 확인할 수 있다. 이는 하중의 변화에 의해 발생하는 디스크로의 볼의 압입과도 관련 있지만, Figs. 10(a)와 10(b)에서와 같이 실험 중 발생하는 볼의 마모현상과도 관련 있어 보인다. Figs. 10(c)와 10(d)는 핀온디스크 실험 후 디스크 표면을 보여주고 있으며, 고하중에서 마모 흔적이 선명해 짐을 알 수 있다.

Fig. 9

Maximum temperature of experiments; (a) Ball-on-Disk and (b) Pin-on-Disk

Fig. 10

Images of wear tracks after experiments; (a) Ball(5 N), (b) Ball(15 N), (c) Pin(5 N), and (d) Pin(15 N)

Fig. 11은 5 N과 15 N의 하중 조건 하에서의 볼온디스크와 핀온디스크 실험 후 디스크 표면의 Ra 표면거칠기를 측정한 것이다. 표면거칠기의 측정은 마모된 시편 표면 위 임의의 세 지점에서 실시하였으며 평균값과 범위를 도시 하였다. 전반적으로 볼온디스크 실험 후의 디스크 표면에서 높은 Ra 값이 측정되었으며, 동일 하중 조건 하에서 볼온디스크 실험 후의 표면거칠기가 높은 것을 확인하였다.

Fig. 11

Surface roughness (Sa) after experiments; (a) Ball-on-Disk and (b) Pin-on Disk

ABS-like 레진으로 이루어진 핀 및 볼과 디스크 사이 마찰 및 마모현상에 대한 실험의 결과, 높은 마찰계수, 마모량, 마찰열에 의해 극악조건에서 활용되는 기계부품으로 활용하기 위해서는 적합한 윤활제에 관한 연구가 필요할 것으로 보인다.

3.2 ABS-like 레진과 SUS304 간 마찰 및 마모 특성

Fig. 13은 볼과 핀 형태의 SUS304와 디스크 형태의 ABS-like 레진을 사용한 볼온디스크와 핀온디스크 실험을 통해 얻어진 미끄럼 거리에 따른 마찰계수의 변화를 보여준다. 또한 15 N의 하중과 선속도 157.08 mm/s 조건에서 ABS-like 레진 간의 마찰계수 변화와 비교하고자 하였다. 볼온디스크 실험과 핀온디스크 실험 모두에서 SUS304와 ABS-like 레진과의 상대운동에서 ABS-like 레진 간의 마찰상태 보다 낮은 마찰계수를 보임을 알 수 있다. ABS-like 레진과 SUS304의 볼온디스크 실험에서의 평균 마찰계수는 0.428이었으며, 핀온디스크에서는 0.597의 값을 보였다. Fig. 12는 실험 후 디스크의 마모 상태를 보여주기 위한 현미경 및 SEM 이미지이다. Figs. 10(b)와 10(d)를 비교해 보면 Fig. 13의 이미지에서는 볼온디스크 실험에서의 마모 면적이 ABS-like 레진 간의 실험에서 보다 ABS-like 레진과 SUS304간의 실험에서 현저히 작아지는 현상이 발견된다. 이러한 현상은 SUS304 소재의 볼을 활용한 볼온디스크 실험에서 상대운동에 따른 볼의 마모보다는 볼의 압입에 의한 디스크의 마모가 크다는 것을 말해준다.

Fig. 12

Coefficient of friction with ABS-like resin and SUS304; (a) Ball-on-Disk and (b) Pin-on-Disk

Fig. 13

Images of wear tracks after experiments; (a) SUS ball (15 N) and (b) SUS pin(15 N)

마모량의 경우, Fig. 14에서와 같이 ABS-like 레진 간의 접촉의 경우 볼온디스크와 핀온디스크 실험에서 큰 마모량을 보인다. 반면, ABS-like 레진과 SUS304와의 상대운동에 있어서는 전반적으로 ABS-like 레진 간의 상대운동에서 보다 현저히 낮은 마모량을 보임을 알 수 있다. 이러한 현상은 두 소재간의 상대운동에 따라 ABS-like 레진 간 상대 운동의 경우 핀과 볼의 마모가 크게 발생하지만, SUS304로 제작된 핀과 볼의 경우 1시간 동안의 실험 후에도 그 형상을 유지하며 마모가 거의 발생하지 않았기 때문으로 보인다. 또한, 마찰열의 발생이 SUS304와 ABS-like 레진의 상대운동에서 ABS-like 레진 간의 상대운동에서 보다 현저히 낮아진 것을 확인할 수 있다. Fig. 15는 ABS-like 레진 간의 볼온디스크와 핀온디스크 실험과 SUS304와 ABS-like 레진을 이용한 실험에서의 최고 온도를 비교한 그림이다. SUS304와 ABS-like 레진의 상대운동에서 ABS-like 레진간의 상대운동의 경우 보다 현저히 낮은 발열 특성을 보이며 이는 마찰과 관련 있을 것으로 판단된다. 또한ABS의 열전도도¹²는 약 0.14-0.21 W/m·K이며 SUS304의 열전도율13은 16.2W/m·K로 알려져 있어 ABS-like 레진 간의 상대운동에 비해 SUS304와 ABS-like 레진 간의 상대운동에서 낮은 마찰열이 관찰되는 것으로 보인다.

Fig. 14

Wear amount after experiments with ABS-like resin and SUS304; (a) Ball-on-Disk and (b) Pin-on-Disk

Fig. 15

Maximum temperature of experiments with ABS-like resin and SUS304; (a) Ball-on-Disk and (b) Pin-on-Disk

Fig. 16은 ABS-like 레진 사이의 상대운동과 ABS-like 레진과 SUS304의 상대운동 후 디스크의 표면거칠기(Sa)를 측정한 것이다. 실험 결과, ABS-like 레진과 SUS의 상대운동 후 디스크의 표면거칠기는 볼온디스크의 경우 ABS-like 레진 간의 상대운동 후 보다 낮아지는 반면, 핀온디스크의 경우는 표면거칠기가 높아지는 현상을 보인다.

Fig. 16

Surface roughness (Sa) after experiments with ABS-like resin and SUS304; (a) Ball-on-Disk and (b) Pin-on-Disk

이와 같은 현상은 ABS-like 레진 간의 마찰 및 마모 특성은 SUS304와 ABS-like 레진 간의 상대운동에 비해 높은 온도를 발생시켜 접촉 계면이 국부적으로 용융된 상태에서 마모가 발생하는 반면, 상대적으로 경한 SUS 핀 및 볼과의 접촉에서는 연삭 마멸이 발생하기 때문으로 생각된다.