모래 3체 마모시험 장비(3-body abrasion tester)를 이용한 PLA프린팅 표면의 형상별 트라이볼로지 성능 분석

Tribology Performance Analysis by Surface Patterns of PLA Printing Samples Using 3-body Abrasion Tester

Abstract

This study applies various surface patterns to minimize material loss in construction equipment that is subject to severe wear due to sand, such as the wear-resistant steel plates of dump trucks or the teeth of excavators. The relationship between surface morphology and wear behavior is investigated using PLA+ polymer to observe the effect of the surface pattern. Five types of samples - smooth, concave, convex, wavy concave, and wavy convex designs - are created using a 3D printer. A wear experiment is conducted for a duration of 3 h using 6.5 kg of abrasive particles. The mass loss of the samples after the experiment is measured to assess the extent of wear. Additionally, the surface morphology of the samples before and after the experiment is analyzed using SEM and confocal microscopy. The study results reveal that the smooth design exhibits the highest wear loss, whereas the concave and wavy concave designs show relatively lower wear loss. The convex and wavy convex designs exhibit varying contact areas with the abrasive particles depending on the surface pattern, resulting in different levels of wear. Furthermore, a comparison between the experimental results and DEM simulations confirms the observed wear trends. This study reveals the relationship between wear damage according to surface pattern shape and is expected to be of substantial help in the analysis of wear and tear on agricultural and heavy equipment.

1. 서론

건설 중장비 등에 사용되는 재료는 현장에서 사용되는 여러 모래, 자갈 입자등에 의해 심각한 마모가 발생한다. 따라서 사용자들의 요구에 맞게 재료 코팅이나 열처리 등과 같이 높은 비용이 들어가는 해결책이 아닌 제작 과정에서 간단한 표면 패턴을 주는 것만으로 내마모성을 높일 수 있는 방안을 찾아보고자 한다.

재료 종류에 따른 표면 손상에 관한 연구는 많이 있으나 재료 표면 형상과 마모 거동 관계를 연구한 자료는 아직 보편화 되어 있지 않다. 3-바디 마모의 경우에는, 재료 표면 구조물의 크기나 형상, 물성 등에 따라 마모의 메커니즘이 예측 불가능한 방향으로 변하는데, 이런 예측이 어려운 상황 속에서, 크기와 모양이 일정한 Al₂O₃ 입자들을 사용하여, 연마재들에 의한 표면 손상과 마모량의 상관관계를 알아보고 기존 재료 표면보다 내마모성이 우수한 표현 형상을 발견하고자 한다.

본 연구 결과를 바탕으로 건설 현장에서 사용되는 중장비들의 모래에 의한 재료가 손실되는 양을 줄일 수 있는 아이디어를 제공할 것으로 보이고, 특히 표면 패턴에 따른 마모 메커니즘의 규명하였기 때문에, 운행 조건에 따른 기계의 마모를 상당히 줄일 수 있어 건설기계 산업에 큰 이익을 가져다 줄 것으로 보인다. 또한 표면 코팅, 열처리 등의 방법보다 낮은 비용으로 내마모성을 향상시킬 수 있어 경제적인 이점이 클 것으로 보인다[1-4].

2. 연구방법 및 내용

2-1. 샘플 제작 및 재료 선정

본 연구에서는 PLA(Polylactic acid) 필라멘트를 사용한 3D 프린팅 모델을 가지고 마모실험을 진행하였다. PLA는 생분해성능이 우수하고 재생가능한 재료일뿐만 아니라 성형성과 내열성 및 기계적 특성이 우수해 다양한 용도로 사용이 가능하므로 연구 재료로 선정하였다. 모래와 같은 입자들에 의해 재료의 마모를 평가하기 위해 가천대 연구실에서는 자체 제작한 3-body 마모 테스트기를 사용해 마모 테스트를 수행하였고, 표면 형상에 따른 마모정도를 평가·비교 분석하였다. 마모 실험 후 손실된질량을확인하고표면에대해 SEM(Scanning Electron Microscope- Hitachi SU-8600)과 광학현미경(Olympus BX53MRF) 을 사용하여 단면의 손상정도를 평가하고 마모 메커니즘을 규명하였다. 그 결과, 표면 형태에 따라서 상당히 차이나는 마모량 보여주었고, 그 마모 결과는 DEM 소프트웨어를 통해 검증되었다.

CUBICON Single Plus 310 3D 프린터 장비에 PLA+ White 색상 필라멘트를 사용하여 총 길이 91.14 mm, 지름 22 mm를 가진 원뿔형 형상의 샘플을 표면 패턴에 따라 5가지 종류로 구분하여 제작하였다. 각각의 샘플은 매끈한 표면을 가지고 있는 smooth 디자인, 반원으로 홈이 파여있는 concave 디자인, 반원이 튀어나와 있는 convex 디자인, 반원 홈을 띠를 두르고 파여있는 wavy concave, 반원이 띠를 두르고 나와있는 wavy convex 디자인으로 프린트하였다 (Fig. 1).

Fig. 1. Sample modeling dimensions and designs.

2-2. 마모 실험 방법 및 조건, 평가

제작된 샘플들은 지그와 볼트를 이용해 결합한 후 3-바디 마모 시험기에 체결하였다. 결합된 마모 시험기에 샘플이 완전히 잠길 수 있게 6.5kg의 마모 입자(Al₂O₃)를 통 안에 넣어 실험하였다 (Fig. 2). 사용된 마모 입자는 판매사 기준 16grit 크기의 Al₂O₃입자이며, iworks(나우교역, 영상과 이미지 측정 및 분석 소프트웨어)를 이용하여 평균 크기와 종횡비를 확인한 결과, 직경 1.6 mm의 크기와 0.79의 종횡비를 가지는 입자로 확인되었다.

Fig. 2. 3-body abrasion tester and Experimental method.

해당 마모 입자는 마모시험 시 입자가 흡수한 수분으로 인해 실험값에 영향을 주는 것을 방지하기 위해 60℃의 건조기에서 1시간 건조 후 사용하였다. 결합된 샘플과 지그는 고정된 채로 Al₂O₃입자들이 담긴 마모 시험기가 돌아가는 형태로 회전 속도는 60RPM, 총 시험 시간은 3시간으로 설정하였다. 마모입자의 크기는 ISO 14688에서 규정한 모래 크기 중 시중에서 안정적으로 구할 수 있는 가장 큰 크기를 선택했고 (지름 약1.6 mm), 회전속도는 6.5 kg의 마모 입자가 시험과정 중 모래통을 넘치지 않는 최고속도이며, 3시간은 샘플이 마모되어 끝부분이 파손에 이르기 전까지 고려한 최대시간입니다[5-6].

실험 완료 후, 표면의 마모 정도를 확인하기 위해 실험 전후 샘플의 무게 변화를 측정하였다. 마모된 샘플의 표면을 분석하기 위해 Severe한 마모가 일어난 부분(하얀색 표면)과 Mild한 마모가 일어난 부분(검정색 표면)의 Optical images(Nikon Z50 with 105mm 렌즈)와 SEM images(Scanning Electron Microscope, Hitachi SU-8600)를 비교하여 마모 유형을 규명하였다.

2-3. 시뮬레이션 방법 및 조건

3-바디 마모 테스트 실험 결과를 시뮬레이션 통해 검증하기 위해 Altair 사(altair.co.kr)의 DEM (Discrete Element Method) 시뮬레이션을 이용하였다. 이 프로그램은 입자 하나하나의 유동을 고려하여, 이 입자들이 재료 표면(금속, 폴리머, 세라믹)에 접촉할 때 발생하는 손실량을 계산해주는 소프트웨어로서, 현재 현대자동차에서도 마모도를 평가하기 위해 사용되고 있다. 본 연구에서는 모래에 의해 폴리머 재료 표면에 발생하는 마모량을 실험과 검증하기 위해 사용되었으며, 재료의 표면 형상을 고려했을 때, 표면 손상에 따라 확실히 다른 마모 양상과 마모손실량을 보여주었다.

우선적으로 시뮬레이션에 사용되는 마모 입자를 정의하였다. 실제 사용된 마모 입자가 완전한 구형이 아닌 0.79 정도의 종횡비를 가진 타원 형태의 입자임을 고려하여 시뮬레이션 상의 마모 입자는 구 2개를 겹쳐 오뚜기 형태를 만들어 길이 1.23 mm, 지름 1.56 mm로 설정하였으며 전체적인 시뮬레이션 모델링은 Fig. 3에서 확인할 수 있다. 설정 입자의 총 무게는 실제와 동일한 6.5 kg이며 상세한 모래 재료 물성은 Table 1와 같다.

Fig. 3. 3-body abrasion tester and Experimental method.

Table 1. Material properties of Al₂O₃, PLA+, and Steel

Table 2. Material’s Friction coefficient and Restitution coefficient

제작 샘플의 재료로 사용한 PLA+와 마모 입자 Al₂O₃ 사이의 반발계수와 마찰계수를 구하기 위해 PLA+ 판을 제작하여 10 cm 높이에서 자유낙하의 속도로 Al₂O₃ 입자를 떨어뜨렸다. 떨어져 쌓인 입자들과 판 사이의 안식각을 측정, 측정한 안식각을 이용해 마찰계수를 구하였다. 또한 반발계수는 동일한 PLA+ 판에 마모 입자를 반복적으로 1개씩 떨어뜨려 판과 수직으로 올라오는 입자의 높이를 계산해 구하였다. 위의 방법을 이용하여 구한 계수는 Table 2와 같다[7-8].

3. 결과 및 고찰

3-1. 마모 실험 방법 및 조건, 평가

실험 전후 샘플의 무게 변화를 모래의 유동에 의한 재료 손실량으로 보고 샘플 표면들의 마모 정도를 확인 비교하였다. 샘플표면에 Severe한 마모가 발생한 부분과 Mild한 마모가 발생한 부분의 표면을 광학 현미경(Olympus BX53MRF) 사진들을 통해 확인하고, 분석하였다. 총 8번의 실험에서 모두 동일한 마모 경향성을 보여주었고 smooth(0.1970 g) > concave(0.1221 g) > convex(0.1089 g) > wavy concave(0.1016 g) > wavy convex(0.0862 g) 순으로 높은 마모 손실량을 보였다 (Fig. 4). 이는 smooth 샘플의 경우, 마모 입자들이 샘플 표면을 따라 높은 접촉율을 가지며 표면을 고르게 마모시키기 때문에 심각한 마모가 일어나서 높은 마모 손실량을 보인 것이고, concave와 wavy concave는 모래 입자들이 표면을 따라 흘러가다가 표면에 파인 홈들에 굴러들어 가면서 속도가 느려지고, 홈을 따라 구른 마모 입자들이 결국 홈을 빠져나와 다음 표면에 접촉하지 하고 외부로 퍼져 나가기 때문에 smooth 표면보다는 상대적으로 적은 양의 마모가 일어난다. 가장 심한 마모들을 보여주는 convex와 wavy convex의 경우에는. 마모 입자들이 표면에 튀어나온 돌기들과 부딪쳐서 속도가 급격히 떨어지고, 그 충돌에 의해 반대방향으로 튀어 나가기 때문에, 그 다음에 오늘 모래 입자들의 흐름을 방해하기 때문에 가장 적은 마모 손실량을 보여주는 것이다[9-10]. 언급한 마모 메커니즘은 DEM실험에서 일어난 마모 메커니즘에 적용 가능하여 시뮬레이션에서도 사용한 Archard wear equation으로 추가 설명할 수 있다. Archard wear equation은 \(\begin{aligned}\delta \mathrm{V}=\frac{2}{3} \pi a^{3}\end{aligned}\)(δV: 마모된 부피, 2a: 입자가 표면에서 미끄러진 길이)로 표현되기 때문에 마모입자와 가장 많이 접촉했던 smooth부터 순차적으로 마모 손실량이 낮아지는 결과를 보인 것이다. 따라서 smooth 샘플 표면보다 wavy convex 샘플 표면은 약 56%의 적은 마모 손실량을 보여주면서, 표면 형상에 따른 마모량을 차이를 극명하게 보여주었다.

Fig. 4. Weight loss after wear test.

현미경 사진들을 통해, 실제로 smooth 디자인은 대부분의 표면이 하얀색으로 되어 있고, 이는 표면에 폴리싱 마모(마모가 심하게 일어나 표면이 고르게 윤이나는 표면)가 진행된 것을 확인할 수 있었고, 반대로 concave와 wavy concave는 홈 부분은 마모가 잘 일어나지 않아서, 검은색(마모가 심하게 일어나지 않아서, 3D 프린팅할 때 프린터의 Resolution에 따른 굴곡에 모래 부스러기들이 박혀서 모래의 색상인 검정생을 뛰는 표면)을 뛰며 홈을 제외한 표면들은 마모가 심하게 되어 폴리싱 마모 양상(희게 보이는 부분들)을 보인다는 것을 확인할 수 있었다. convex와 wavy convex 디자인은 위 설명과 동일하게 마모입자와 최초 접촉하는 부분의 돌기는 Severe한 마모가 발생했으나, 후면부는 모래가 거의 닿지 않아서 대부분 마모가 되지 않아 검은색으로 보이는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 5). 비록 충돌할 때 충격에너지 때문에 돌기들은 심하게 마모가 되어 마모에 의해 형상이 변화되었지만, 돌기들을 제외한 부분들은 모래 입자들의 유동을 변화시켜 입자들이 표면에 닿기 어렵기 때문에 마모량이 현저히 줄어든것으로 판단할 수 있다.

Fig. 5. Optical images before and after wear experiment.

다시 말해, 검은색 부분이 폴리싱 마모가 진행되지 않은 표면인 이유는 광학 현미경 이미지를 통해 설명할 수 있다. 폴리싱이란 표면을 매끄럽고 광택있게 만들기 위해 연마하는 과정이라고 할 수 있는데, 3D 프린팅된 샘플의 표면은 프린트하는 동안에 만들어진 적층자국이 존재한다. 따라서 마모 전후에 적층면을 분석하여 검은색 부분이 Mild한 표면임을 확인하였다. 광학 현미경 이미지 확인 결과, 마모 전 샘플의 표면에는 프린트 적층자국이 존재했으나, 마모 실험 후 Severe한 부분에서는 마모가 발생한 부분의 표면에는 적층자국이 마모되어 사라졌다. 이와는 반대로, Mild한 마모가 발생한 부분은 마모 이전과 동일하게 적층자국이 그대로 존재했다. 위에서도 설명했듯이, 이는 모래가 부스러기들이 끼어서 검은색을 나타내였다. 따라서 Severe한 마모가 발생하여 폴리싱 마모가 발생한 지역은 마모입자 등이 적층 자국에 낄 수 없어 프린트 필라멘트 색인 하얀색을 띄는 것이다(Fig. 6). 이와 같이 색상에 따라 쉽게 광학 현미경으로 마모 정도를 파악할 수 있었고, 이는 모래 입자들의 유동이 어디를 흘러 가는지를 알 수 있게 해주어서 모래 유동에 의한 마모 메커니즘을 밝히는데 중요한 역할을 하였다.

Fig. 6. Surface microscope, SEM, and EDS images of severe and pure wear part after wear test.

3-2. DEM 시뮬레이션과 마모 경향성 비교

표면 형상에 따른 마모율 차이를 확인하기 위해 Altair사의 Discrete element method (DEM) 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교 분석하였다. 마모로 인한 중량 손실량 비교 결과 실제 실험과 유사한 결과를 보여주었다. 실제 실험의 경우, wavy concave와 wavy convex의 마모 손실량이 smooth에 비해 각각 48%, 56% 감소하였다. DEM 시뮬레이션의 경우에도, 정확히 줄어든 마모량의 수치가 실험값과 맞지는 않지만, smooth에 비해 wavy concave와 wavy convex의 마모 깊이가 23%, 50% 감소한 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 7a). 이는 시뮬레이션이 경향성을 비교하는데 큰 도움이 된다는 것을 확인할 수 있었고, 표면 형상에 따라 마모 손실량의 차이를 쉽게 구분할 수 있어 표면 형상 설계 시 큰 도움이 될 것이라는 확신을 주었다.

Fig. 7. DEM simulation (a) wear depth, (b) wear surface.

마모된 부분의 분포 또한 실제 실험과 비슷하였다. smooth 디자인의 경우 실험과 동일하게 마모입자와 접촉하는 면적 대부분에 걸쳐 마모가 일어난 반면 wavy concave는 홈 부분에는 마모가 발생하지 않고 이외 표면에만 마모가 발생함을 알 수 있었다. wavy convex 또한 마찬가지로 실제 실험과 같이 마모 입자와 최초 접촉하는 돌기의 윗부분만 마모가 심하게 일어나고 이외 표면에는 파란색으로 표시되어 마모가 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.

4. 결론

모래 입자와 같은 연마입자들에 의해 마모가 발생할 때, 표면에 형성된 구조 패턴에 따라 내마모성능이 달라진다는 것은 이 연구를 통해 증명하였다. 본 연구에서 진행한 시험 결과 매끈한 표면을 가진 smooth표면을 시작해서 concave, convex, wavy concave, wavy convex순으로 내마모성능이 좋아지는 것을 확인할 수 있었다. 그 원인은 표면 형상에 따라 마모 입자와의 접촉시간 접촉 세기가 달라지기 때문이다. 즉, smooth 디자인은 마모 입자의 흐름을 방해하는 요소가 없어 마모 입자들이 샘플의 모든 면적에 마모 손상을 입혀 가장 심각한 마모 손실량을 발생시켰다. concave와 wavy concave의 경우, 홈 부분에 마모 입자의 접촉이 매끄러운 외부 표면에 비해 현저히 적어 마모로 인해 손상될 수 있는 면적의 크기가 줄어들고 홈에 들어갔다가 나오는 입자들에 의해 마모 입자의 흐름이 방해를 받아 smooth 디자인에 비해 마모 손실량이 줄어들게 된다. 마지막으로 convex와 wavy convex는 돌기가 볼록 튀어나와 있어서, 접촉 면적이 가장 많아 보이지만 돌기와 충돌한 마모 입자가 샘플 바깥쪽으로 튕겨 나가게되어 돌기 뒤쪽 샘플 표면이 마모 입자와 접촉하지 않도록 만들어주어, 현저하기 마모량이 줄어들게 된다. 이로인해 앞부분의 돌기는 마모가 많이 일어난 것처럼 보이지만 전체적인 마모 손실량은 가장 적게 일어난다.

본 연구를 진행한 결과, 3 바디 마모에서, 표면 패턴 형상에 따라 마모량과 마모 메커니즘이 달라짐을 확인하였고, DEM 시뮬레이션을 이용해 교차검증까지 진행하였다. 현재까지는 직경 1.6 mm (0.79 종횡비) 마모 입자만을 가지고 시험을 진행했으나 마모 입자 크기별, 장비의 회전 속도별로 시험 결과가 달라질 것으로 예상되어 후속 연구를 필요하며, 그 결과는 모래에 의해 마모가 되는 모든 장비들의 마모 메커니즘을 밝혀 궁극적으로 건설장비 산업에 이익을 가져올 것으로 기대한다.