Tribological Characteristics of ABS-like Resin According to Silicon Oil Viscosity

실리콘 오일 점도에 따른 ABS-like 레진의 트라이볼로지 특성

Abstract

Recently, additive manufacturing (AM) technology has been applied to various industries such as automotive, aviation, medical, and electronics. Most prior studies are limited to the mechanical properties of printed materials, and few studies are being conducted on their tribological characteristics. However, the friction and wear characteristics of the material should be studied in order to utilize the components manufactured using AM technology as mechanical parts. In this study, the friction and wear characteristics of acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS)-like resin printed with stereo lithography apparatus (SLA) 3D printing are evaluated according to the viscosity of silicon oil lubricant using a ball-on-disk experiment. Lubricants with a viscosity of 500, 1000, and 2000 cSt are prepared for the experiment. If silicon oil lubricants are used during the ball-on-disk test, the coefficient of friction (COF) and wear rates are significantly reduced, and the higher the viscosity of the lubricant, the lower will be the COF and wear rates. It is also verified that the temperature of the specimen owing to friction also decreases according to the viscosity of the lubricant. This is because of the silicon oil film thickness, and the higher the viscosity of the lubricant, the thicker will be the oil film. More studies on the tribological characteristics of 3D printing materials and suitable lubricants will be required to use 3D printed parts as mechanical elements.

1. 서론

최근 적층제조(additive manufacturing; AM) 기술은 자동차, 항공, 의료, 전자 분야 등 다양한 산업에 적용되고 있다[1-4]. 특히 기계가공으로 구현이 힘든 복잡한 형상의 구조물 혹은 부품의 제작에 있어 적층제조 기술은 큰 장점을 가진다. 따라서 다양한 분야에서 적층 제조 기술 및 관련 소재에 관한 연구가 진행되고 있다[4,5]. 기존에 수행된 대부분의 연구는 출력된 소재의 기계적 물성
과 적층 방식에 한정되어 있으며 트라이볼로지(tribology) 특성에 관한 연구는 많이 이루어지고 있지 않다. 그러나, 적층 제조 기술에 의해 제작된 부품을 기계요소로 활용하기 위해서는 소재에 대한 마찰 및 마모 특성에 대한 연구를 필요로 하고 있다.

Sim 등[6]은 ball-on-reciprocating 방식의 마찰 시험기를 사용하여 FDM 방식으로 3D 프린팅 된 표면에서 슬라이딩 방향에 따른 트라이볼로 지적 특성을 연구하였다. 그들의 실험에 따르면 3D 프린팅된 소재의 표면은 45º방향에서 전반적으로 낮은 마찰계수와 마모율을 보였다.

Son과 Lee[7,8]는 최근 2편의 연구에서 ABS-like 레진의 연마 가공을 한 연구에서 가공 중 마찰 특성을 평가하였지만, 이는 연마 가공에 한정된 결과로 소재의 특성을 대표하는 데는 한계가 있다.

Jo와 Lee[9]는 무윤활 상태에서 SLA(stereo lithography apparatus)용 ABS-like 레진(acrylonitrile butadiene styrenelike resin)의 마찰 및 마모 특성에 관한 연구를 진행하였다. 3D 프린팅 방식 중 SLA(stereo lithography apparatus)는 자외선 레이저(ultraviolet laser; UV laser)를 사용하여 감광성 수지(photosensitive resin)를 경화시켜 3차원 구조물을 제작하는 방법이다. 그들의 연구에서는 ABSlike 레진의 트라이볼로지 특성 연구를 위하여 핀온디스크(pin-on-disk) 방식과 볼온디스크(ball-on-disk) 방식을 활용하였다. 실험 결과 ABS-like 레진 간의 미끄럼 운동에서는 높은 마찰력과 마찰열이 발생하고 높은 마모량을 보이는 반면, ABS-like 레진과 스테인레스(SUS 304)와의 미끄럼 운동에서는 상대적으로 낮은 마찰력, 마찰열 및 마모량을 가짐을 확인하였다. 특히 ABS-like 레진들 간의 상대 운동에서는 실험에 사용된 레진의 열변형온도(heat deflection temperature; HDT) 이상의 높은 온도가 발생하였다. 따라서 ABS-like 레진들 간의 상대운동에서는 부품간의 마찰 저감을 위한 윤활제(lubricant)가 필요할 것으로 보인다.

실리콘 오일(silicon oil)은 온도에 대한 점도 변화가 작아 내열성이 우수하나 유막 강도가 작기 때문에 금속의 윤활보다는 플라스틱 등과 같은 소재의 경윤활에 적합한 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 볼온디스크 마모시험을 통해 3D 프린팅된 ABS-like 레진 간의상대 운동에 있어 실리콘 오일을 활용하여 윤활 특성에 관해 알아보고자 한다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 3D 프린팅 시편 준비

3D 프린팅에 사용된 장치는 DWS Systems의 XFAB2000으로 SLA 방식의 3D 프린터이다(Fig. 1). 볼온디스크 시험을 위하여 직경 30 mm와 높이 10 mm 형상의 원형 디스크와 직경 12.7 mm의 볼(Ball)을 출력하였다. 출력 시 온도는 20~25oC이며 습도는 60%이다. 3D 프린팅 출력에 사용한 ABS-like 레진 소재는 DWS 사에서 제공하는 Invicta 915로 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다[10]. 출력 시 적층 두께는 70 µm이다. 디스크와 볼은 서포트(support)에서 제거 시 볼온디스크 시험에서 표면거칠기에 영향을 주지 않도록 출력 방향을 선정하였다. 출력된 디스크 시편의 표면거칠기는 약 Sa 2.490 µm이다. Fig. 2는 출력된 디스크와 볼 시편을 보여주고있다.

Fig. 1. SLA 3D printer (XFAB 2000, DWS).

Fig. 2. 3D printed disk(left) and ball(right).

Table 1. Material properties of Invicta 915[10].

2-2. 마찰 및 마모 실험

본 연구에서는 핀온디스크 마찰 및 마모시험을 위해 NEOPLUS사의 NEO-TRIBO MFW120 마찰·마모시험기(Fig. 3)를 사용하였다. 실험 중 마찰력 측정을 위해 핀온디스크 시험기에 로드셀(YA21, SETech)이 장착되었다. 사용된 로드셀은 최대 50N까지 측정이 가능하여 정밀도는 ±0.03%이다. 시험 중 회전속도, 마찰력, 마찰계수, 선속도, 마찰거리 등의 데이터는 실시간으로 PC에 저장된다.

Fig. 3. Pin-on-disk tribometer(MFW-120, NEOPLUS)

ABS-like 레진의 볼온디스크 마찰·마모시험을 위해 수직하중은 10N, 선속도는 157.08 mm/s로 설정하였다. 실험은 시편 당 각각 30분씩 진행하였다. 실험 후 시편의 마모율 측정을 위해 접촉식 표면형상 측정장치를 이용하였다.

실험에 사용된 실리콘 오일(KF-96, SinEtsu)은 디메틸 실리콘 오일(dimethyl silicon oil)로 동점도 500, 1000, 2000 cSt의 3종을 이용하였다. 실험 중 마찰계수는 로드셀을 통해 측정되었으며, 온도 관찰을 위하여 IR(infrared) 카메라(Fluke-59)를 이용하였으며 측정 위치는 마모 트
랙의 중심이다. 실험에 사용된 실리콘 오일에 관한 정보는 Table 2에 나타내었으며, 동점도를 제외하고는 유사한 성질을 가지고 있음을 확인할 수 있다.

Table 2. Characteristics of KF-96 silicon oil[11]

3. 결과 및 고찰

실리콘 오일 윤활제의 동점도 변화에 따른 마찰 특성을 파악하기 위하여 수직하중은 10 N으로 선정하였으며, 트랙 반경(track radius)은 5 mm, 디스크의 회전 속도는 300 rpm으로 선속도의 계산값이 157.08 mm/s이 되도록 설정하였다.

Fig. 4는 다양한 윤활제의 점도 변화 조건에서 슬라이딩 거리에 따른 마찰계수(coefficient of friction; COF)의 변화를 보여준다. Fig. 5는 3D 프린팅으로 출력된ABS-like 레진 디스크와 볼의 미끄럼 운동에서 실리콘 오일의 점도 변화에 따른 마찰계수를 나타낸다. 무윤활 상태에서 ABS-like 레진들 사이의 평균 마찰계수는 0.524로 측정되었으며, 실리콘 오일 윤활제를 사용할 경우 마찰계수는 크게 감소하는 경향을 보였다. 윤활제의 점도가 500 cSt인 경우 평균 마찰계수는 0.267로 감소하며 1000 cSt의 점도를 가지는 경우 0.139, 2,000 cSt의 경우 0.123로 감소하였다. 무윤활 상태에서는 디스크와 볼이 직접 접촉하여 높은 마찰계수를 보이는 것으로 보이며, 윤활 상태에서는 볼과 디스크의 접촉 계면에 윤활유가 게재되어 윤활 작용에 의해 마찰계수가 낮아지는 것으로 보인다. 특히, 윤활제의 점도가 높을수록 마찰계수는 감소하였으며 이는 윤활제 점도에 따른 유막 두께의 차이로 보인다.

Fig. 4. Coefficient of friction as a function of sliding distance under various lubrication conditions.

Fig. 5. Average coefficient of friction as a function of lubricant’s viscosity.

Fig. 6은 윤활제 점도에 따른 볼온디스크 시험 중 측정된 최대온도를 보여주고 있다. 최초 시편의 온도는 약 22oC였다. 최고온도는 볼온디스크 시험의 마지막에서 관찰되며 무윤활 상태에서의 최고온도는 47.0oC이다. 윤활제의 점도가 500 cSt인 경우 디스크의 온도는 42.2oC까지 감소하며 윤활제의 점도가 1000 cSt, 2000 cSt로 증가하면 측정된 최고온도가 37.0oC, 36.5oC로 감소한다. 본 연구에서 사용된 윤화제는 Table 2와 같이 비열 및 열전도율이 동일하여 측정된 온도는 미끄럼 과정에서 발생하는 마찰열에 의한 것으로 판단되며, 윤활제의 점도에 따른 유막 두께의 변화에 기인한 것으로 보인다. 또한, Table 1의 ABS-like 레진의 열변형온도(heat deflection temperature; HDT)가 58oC임을 감안할 때 ABS-like 레진 간의 상대운동에서 윤활제를 활용할 필요성이 있어 보인다.

Fig. 6. Maximum temperature as a function of lubricant’s viscosity.

Fig. 7은 윤활제 점도에 따른 볼온디스크 시험 후 디스크의 마모의 표면 사진을 보여주고 있다. 시편에 남은 마모 흔은 윤활제의 점도가 높을수록 희미하게 남아 있음을 확인할 수 있다. 무윤활 상태에서는 실험 중 시편마모에 따른 입자의 뭉침 현상이 발견되었으며 볼과 디스크의 계면에서 시편의 마모를 촉진 시키는 것으로 보인다(Fig. 8).

Fig. 7. Pictures of disks after experiment; (a) without lubrication, (b) 500 cSt, (c) 1,000 cSt, and (d) 2,000 cSt.

Fig. 8. Pictures wear debris during ball-on-disk experiment of ABS-like resin under non-lubrication condition

Fig. 9는 디스크와 볼의 마모 형상을 도시한 것이며 디스크의 마모율(wear rate; Wd)과 볼의 마모율(Wb)은 아래 Eq. 1 및 Eq. 2와 같이 각각 구하였다.

Fig. 9. Schematics of disk and ball after ball-on-disk experiment.

\(W_{d}=\frac{\pi R\left(S_{1}+S_{2}+S_{3}+S_{4}\right)}{2 F L}\)       (1)

\(W_{b}=\frac{\pi A^{3} B}{32 D F L}\)       (2)

F와 L은 각각 하중과 미끄럼 거리를 뜻하며, A는 볼마모 흔의 최소 직경, B는 최소 직경에 수직인 방향에서의 직경을 뜻한다.

Fig. 10은 윤활제 점도에 따른 볼온디스크 시험 후의 ABS-like 레진 디스크의 마모율을 보여준다. 디스크의 마모율은 시편의 프로파일을 4개 지점에서 측정 후 마모 트랙의 단면적을 획득한 후 하중, 속도, 시편 중심부로부터 마모 트랙 중심까지의 거리를 고려하여 환산하였다. Fig.10에서 무윤활 상태의 경우 마모율은 5.768 × 10^-10mm³/N·m였으며, 마모율은 윤활제의 점도 증가에 따라 차츰 감소하였다. 윤활제 점도 500 cSt에서는 마모율이 3.021× 10^-10mm³/N·m였으며, 1000 cSt에서는 1.907 × 10^-10mm³ /N·m, 2000 cSt에서는 1.069 × 10^-10mm³/N·m의 마모율을 보였다.

Fig. 10. Wear rate of ABS-like resin disk as a function of lubricant’s viscosity

Fig. 11은 볼온디스크 시험에 사용된 볼의 마모율을 보여주고 있다. 볼의 마모율은 Eq. 2에 의해 계산되었다. 디스크와 마찬가지로 볼의 경우 역시 무윤활 상태에서의 볼온디스크 시험의 마모율이 높게 나타났으며, 윤활제의 점도가 높아질수록 낮은 마모율을 보이고 있다. 무윤활 상태에서의 마모율은 2.76 × 10^-4mm³/N·m이고 윤활제의 점도가 500 cSt인 경우 1.62 × 10^-4mm³/N·m, 1000 cSt의 경우 1.56 × 10^-4mm³/N·m, 2000 cSt의 경우 1.31 × 10^-4mm³/N·m로 차츰 감소하는 경향을 보인다.

Fig. 11. Wear rate of ABS-like resin ball as a function of lubricant’s viscosity.

Fig. 12는 무윤활 상태와 윤활 상태에서 볼과 디스크의 접촉에 관한 모식도이다. 볼온디스크 시험에서의 마찰계수와 온도, 시험 후 시편의 마모율의 경향에서 보듯이, ABS-like 레진들 간의 상대 운동에 있어 실리콘 오일 윤활제의 사용은 유막 형성을 통해 소재 간 마찰 및 마모를 줄이는 역할을 하는 것으로 보인다. 특히 윤활제의 점도가 높아질수록 두꺼운 유막이 형성되어 ABS-like 레진 소재 간 마찰계수와 마모율을 줄이는 것으로 판단된다.

Fig. 12. Schematics of ball-disk contact; (a) without lubrication, (b) with lubrication(low viscosity), and (c) with lubrication(high viscosity)

4. 결론

본 연구에서는 볼온디스크 시험을 통해 SLA 3D 프린팅 방식으로 출력된 ABS-like 레진의 실리콘 오일 윤활유 점도에 따른 마찰 및 마모 특성에 관해 평가하였다. 볼온디스크 시험에 사용된 실리콘 오일 윤활제는 동점도 500 cSt, 1000 cSt, 2000 cSt를 가지고 있으며, 비교를 위해 무윤활 상태의 시험을 실시하였다.

무윤활 상태의 볼온디스크 시험에서 평균 마찰계수는 0.524로 측정되었으며, 30분간의 시험을 통해 최대온도가 47.0oC까지 증가함을 확인하였다. 또한, 무윤활 상태시험 후의 디스크와 볼의 마모율은 각각 5.768 × 10^-10mm³/N·m과 2.76 × 10^-4mm³/N·m로 측정되었다. 볼온디스크 시험 중 실리콘 오일 윤활제를 활용하는 경우 마찰계수와 마모량은 현저히 줄어들며, 윤활제의 점도가 높을수록 낮은 마찰계수와 낮은 마모량을 보였다. 또한 마찰에 의한 시편의 온도 역시 윤활제의 점도에 따라 감소함을 확인하였다. 윤활제 점도가 500 cSt인 경우 마찰계수는 0.267, 최고온도는 42.2oC, 디스크의 마모율은 3.021× 10^-10mm³/N·m, 볼의 마모율은 1.62 × 10^-4mm³/N·m이었으나, 점도가 2000 cSt인 경우 마찰계수는 0.123, 최고온도는 36.5oC, 디스크의 마모율은 1.069 × 10^-10mm³/N·m, 볼의 마모율은 1.31 × 10^-4mm³/N·m까지 감소하는 것을 확인하였다.이러한 현상은 실리콘 오일에 의해 형성되는 유막에 의한 것으로 보이며 윤활제의 점도가 높을수록 두꺼운 유막이 형성되기 때문으로 판단된다.

향후 3D 프린팅 부품을 기계요소로 활용하기 위해서는 보다 다양한 소재의 트라이볼로지 특성과 적합한 윤활제에 관한 연구 및 무윤활 상태에서의 마찰 저감을 위한 연구가 필요할 것으로 보인다.