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

(1)

DOI https://doi.org/10.9725/kts.2020.36.6.365

실리콘 오일 점도에 따른 ABS-like 레진의 트라이볼로지 특성

박성현¹ㆍ손준규¹ㆍ우성웅²ㆍ류의진²ㆍ이현섭³^†

1

동명대학교 대학원 기계시스템공학과 석사과정생

2

동명대학교 기계공학부 학사과정생

3

동명대학교 기계공학부 부교수

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

Seonghyun Park

¹

, Jungyu Son

¹

, Seongwoong Woo

²

, Euijin Ryu

²

and Hyunseop Lee

^3†

1

M.S Student, Graduate School, Dept. of Mechanical System Engineering, Tongmyong University

2

Undergraduate Student, School of Mechanical Engineering, Tongmyong University

3

Associate Professor, School of Mechanical Engineering, Tongmyong University

(Received December 2, 2020 ; Revised December 18, 2020 ; Accepted December 24, 2020)

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 lubri- cant, 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 thick- ness, 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 mechan- ical elements.

Keywords − friction(마찰), wear(마모), ABS-like resin(ABS 유사 수지), lubricant(윤활제), viscosity(점도)

1. 서 론

최근 적층제조(additive manufacturing; AM) 기술은 자동차, 항공, 의료, 전자 분야 등 다양한 산업에 적용되 고 있다[1-4]. 특히 기계가공으로 구현이 힘든 복잡한 형

†

Corresponding author: Hyunseop Lee Tel: +82-51-629-1597, Fax.: +82-51-629-1419 E-mail: [email protected]

http://orcid.org/0000-0003-4717-3147

http://orcid.org/0000-0002-3440-3145 (Seonghyun Park)

ⓒ Korean Tribology Society 2020. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License(CC BY, https://creativecommons.org/

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in any medium, provided the original authors and source are properly cited.

(2)

상의 구조물 혹은 부품의 제작에 있어 적층제조 기술은 큰 장점을 가진다. 따라서 다양한 분야에서 적층제조 기 술 및 관련 소재에 관한 연구가 진행되고 있다[4,5]. 기존 에 수행된 대부분의 연구는 출력된 소재의 기계적 물성 과 적층 방식에 한정되어 있으며 트라이볼로지(tribology) 특성에 관한 연구는 많이 이루어지고 있지 않다. 그러 나, 적층제조 기술에 의해 제작된 부품을 기계요소로 활 용하기 위해서는 소재에 대한 마찰 및 마모 특성에 대한 연구를 필요로 하고 있다.

Sim 등[6]은 ball-on-reciprocating 방식의 마찰 시험기 를 사용하여 FDM 방식으로 3D 프린팅 된 표면에서 슬 라이딩 방향에 따른 트라이볼로지적 특성을 연구하였다.

그들의 실험에 따르면 3D 프린팅된 소재의 표면은 45

o

방향에서 전반적으로 낮은 마찰계수와 마모율을 보였다.

Son과 Lee[7,8]는 최근 2편의 연구에서 ABS-like 레 진의 연마 가공을 한 연구에서 가공 중 마찰 특성을 평 가하였지만, 이는 연마 가공에 한정된 결과로 소재의 특 성을 대표하는데는 한계가 있다.

Jo 와 Lee[9]는 무윤활 상태에서 SLA(stereo lithography apparatus) 용 ABS-like 레진(acrylonitrile butadiene styrene- like resin) 의 마찰 및 마모 특성에 관한 연구를 진행하였 다. 3D 프린팅 방식 중 SLA(stereo lithography apparatus) 는 자외선 레이저(ultraviolet laser; UV laser)를 사용하 여 감광성 수지(photosensitive resin)를 경화시켜 3차원 구조물을 제작하는 방법이다. 그들의 연구에서는 ABS- like 레진의 트라이볼로지 특성 연구를 위하여 핀온디스 크(pin-on-disk) 방식과 볼온디스크(ball-on-disk) 방식을 활용하였다. 실험 결과 ABS-like 레진 간의 미끄럼 운동 에서는 높은 마찰력과 마찰열이 발생하고 높은 마모량 을 보이는 반면, ABS-like 레진과 스테인레스(SUS 304) 와의 미끄럼 운동에서는 상대적으로 낮은 마찰력, 마찰 열 및 마모량을 가짐을 확인하였다. 특히 ABS-like 레진 들 간의 상대 운동에서는 실험에 사용된 레진의 열변형 온도(heat deflection temperature; HDT) 이상의 높은 온도가 발생하였다. 따라서 ABS-like 레진들 간의 상대 운동에서는 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 금속 의 윤활보다는 플라스틱 등과 같은 소재의 경윤활에 적 합한 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 볼온디 스크 마모시험을 통해 3D 프린팅된 ABS-like 레진 간의 상대 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 XFAB 2000 으로 SLA 방식의 3D 프린터이다(Fig. 1). 볼온디스 크 시험을 위하여 직경 30 mm와 높이 10 mm 형상의 원 형 디스크와 직경 12.7 mm의 볼(Ball)을 출력하였다. 출 력 시 온도는 20~25

^o

C이며 습도는 60%이다. 3D 프린 팅 출력에 사용한 ABS-like 레진 소재는 DWS 사에서 제공하는 Invicta 915로 물리적 특성은 Table 1에 나타 내었다[10]. 출력 시 적층 두께는 70 µm이다. 디스크와 볼은 서포트(support)에서 제거 시 볼온디스크 시험에서 표면거칠기에 영향을 주지 않도록 출력 방향을 선정하 였다. 출력된 디스크 시편의 표면거칠기는 약 Sa 2.490 µm 이다. Fig. 2는 출력된 디스크와 볼 시편을 보여주고 있다.

2-2. 마찰 및 마모 실험

본 연구에서는 핀온디스크 마찰 및 마모시험을 위해

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

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

Material properties Value Specific gravity 1.12 Viscosity (cPs @ 25

^o

C) 800 Tensile strength (MPa) 35 Elongation at break (%) 8 Tensile modulus (MPa) 1400 Flexural strength (MPa) 60 Flexural modulus (MPa) 1600 Surface hardness (Shore D) 80

HDT @ 0.46 MPa (

^o

C) 58

(3)

NEOPLUS사의 NEO-TRIBO MFW120 마찰·마모시험 기(Fig. 3)를 사용하였다. 실험 중 마찰력 측정을 위해 핀 온디스크 시험기에 로드셀(YA21, SETech)이 장착되었 다. 사용된 로드셀은 최대 50N까지 측정이 가능하여 정 밀도는 ±0.03%이다. 시험 중 회전속도, 마찰력, 마찰계 수, 선속도, 마찰거리 등의 데이터는 실시간으로 PC에 저 장된다.

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

하였다.

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 로드 셀을 통해 측정되었으며, 온도 관찰을 위하여 IR(infrared) 카메라(Fluke-59)를 이용하였으며 측정 위치는 마모 트 랙의 중심이다. 실험에 사용된 실리콘 오일에 관한 정보 는 Table 2에 나타내었으며, 동점도를 제외하고는 유사 한 성질을 가지고 있음을 확인할 수 있다.

3. 결과 및 고찰

실리콘 오일 윤활제의 동점도 변화에 따른 마찰 특성 을 파악하기 위하여 수직하중은 10 N으로 선정하였으 며, 트랙 반경(track radius)은 5 mm, 디스크의 회전속도 는 300 rpm으로 선속도의 계산값이 157.08 mm/s이 되 도록 설정하였다.

Fig. 4 는 다양한 윤활제의 점도 변화 조건에서 슬라이 딩 거리에 따른 마찰계수(coefficient of friction; COF) 의 변화를 보여준다. Fig. 5는 3D 프린팅으로 출력된 ABS-like 레진 디스크와 볼의 미끄럼 운동에서 실리콘 오 Fig. 2. 3D printed disk(left) and ball(right).

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

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

Kinetic viscosity (cSt)

Specific gravity

(25

^o

C) V.T.C Surface tension (25

^o

C)

Specific heat (J/g·

^o

C)

Thermal conductivity (W/m·

^o

C)

500 0.970 0.60 21.1 1.5 0.16

1,000 0.970 0.60 21.2 1.5 0.16

2,000 0.970 0.60 21.2 1.5 0.16

*V.T.C: Viscosity-Temperature Coefficient

Fig. 4. Coefficient of friction as a function of sliding

distance under various lubrication conditions.

(4)

일의 점도 변화에 따른 마찰계수를 나타낸다. 무윤활 상 태에서 ABS-like 레진들 사이의 평균 마찰계수는 0.524 로 측정되었으며, 실리콘 오일 윤활제를 사용할 경우 마 찰계수는 크게 감소하는 경향을 보였다. 윤활제의 점도 가 500 cSt인 경우 평균 마찰계수는 0.267로 감소하며 1000 cSt 의 점도를 가지는 경우 0.139, 2,000 cSt의 경우 0.123 로 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 것으 로 보인다. 특히, 윤활제의 점도가 높을수록 마찰계수는 감소하였으며 이는 윤활제 점도에 따른 유막 두께의 차 이로 보인다.

Fig. 6 은 윤활제 점도에 따른 볼온디스크 시험 중 측

정된 최대온도를 보여주고 있다. 최초 시편의 온도는 약 22

^o

C 였다. 최고온도는 볼온디스크 시험의 마지막에서 관 찰되며 무윤활 상태에서의 최고온도는 47.0

^o

C 이다. 윤활 제의 점도가 500 cSt인 경우 디스크의 온도는 42.2

^o

C까 지 감소하며 윤활제의 점도가 1000 cSt, 2000 cSt로 증가 하면 측정된 최고온도가 37.0

^o

C, 36.5

^o

C 로 감소한다. 본 연구에서 사용된 윤화제는 Table 2와 같이 비열 및 열전 도율이 동일하여 측정된 온도는 미끄럼 과정에서 발생 하는 마찰열에 의한 것으로 판단되며, 윤활제의 점도에 따른 유막 두께의 변화에 기인한 것으로 보인다. 또한, Table 1 의 ABS-like 레진의 열변형온도(heat deflection temperature; HDT) 가 58

^o

C 임을 감안할 때 ABS-like 레 진 간의 상대운동에서 윤활제를 활용할 필요성이 있어 보인다.

Fig. 7 은 윤활제 점도에 따른 볼온디스크 시험 후 디 스크의 마모의 표면 사진을 보여주고 있다. 시편에 남은 마모 흔은 윤활제의 점도가 높을수록 희미하게 남아 있 음을 확인할 수 있다. 무윤활 상태에서는 실험 중 시편 Fig. 5. Average coefficient of friction as a function of

lubricant’s viscosity.

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

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 experi-

ment of ABS-like resin under non-lubrication condition.

(5)

의 마모에 따른 입자의 뭉침 현상이 발견되었으며 볼과 디스크의 계면에서 시편의 마모를 촉진 시키는 것으로 보인다(Fig. 8).

Fig. 9 는 디스크와 볼의 마모 형상을 도시한 것이며 디 스크의 마모율(wear rate; W

d

) 과 볼의 마모율(W

b

) 은 아래 Eq. 1 및 Eq. 2와 같이 각각 구하였다.

(1)

(2)

F와 L은 각각 하중과 미끄럼 거리를 뜻하며, A는 볼 마모 흔의 최소 직경, B는 최소 직경에 수직인 방향에서 의 직경을 뜻한다.

Fig. 10은 윤활제 점도에 따른 볼온디스크 시험 후의 ABS-like 레진 디스크의 마모율을 보여준다. 디스크의 마 모율은 시편의 프로파일을 4개 지점에서 측정 후 마모 트 랙의 단면적을 획득한 후 하중, 속도, 시편 중심부로부터

마모 트랙 중심까지의 거리를 고려하여 환산하였다. Fig.

10 에서 무윤활 상태의 경우 마모율은 5.768 × 10

^-10

mm

³

/ N·m 였으며, 마모율은 윤활제의 점도 증가에 따라 차츰 감소하였다. 윤활제 점도 500 cSt에서는 마모율이 3.021

× 10

^-10

mm

³

/N·m 였으며, 1000 cSt에서는 1.907 × 10

-10

mm

³

/N·m, 2000 cSt 에서는 1.069 × 10

^-10

mm

³

/N·m 의 마 모율을 보였다.

Fig. 11 은 볼온디스크 시험에 사용된 볼의 마모율을 보 여주고 있다. 볼의 마모율은 Eq. 2에 의해 계산되었다.

디스크와 마찬가지로 볼의 경우 역시 무윤활 상태에서 의 볼온디스크 시험의 마모율이 높게 나타났으며, 윤활 제의 점도가 높아질수록 낮은 마모율을 보이고 있다. 무윤 활 상태에서의 마모율은 2.76 × 10

^-4

mm

³

/N·m이고 윤활제 의 점도가 500 cSt인 경우 1.62 × 10

^-4

mm

³

/N·m, 1000 cSt 의 경우 1.56 × 10

^-4

mm

³

/N·m, 2000 cSt의 경우 1.31 × 10

-4

mm

³

/N·m 로 차츰 감소하는 경향을 보인다.

Fig. 12 는 무윤활 상태와 윤활 상태에서 볼과 디스크 의 접촉에 관한 모식도이다. 볼온디스크 시험에서의 마 찰계수와 온도, 시험 후 시편의 마모율의 경향에서 보듯 이, ABS-like 레진들 간의 상대 운동에 있어 실리콘 오 W

d

πR S (

1

+ S

2

+ S

3

+ S

4

)

2 FL ---

=

W

b

πA

³

B 32DFL ---

=

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

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

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

Fig. 12. Schematics of ball-disk contact; (a) without

lubrication, (b) with lubrication(low viscosity), and (c)

with lubrication(high viscosity)

(6)

일 윤활제의 사용은 유막 형성을 통해 소재 간 마찰 및 마모를 줄이는 역할을 하는 것으로 보인다. 특히 윤활제 의 점도가 높아질수록 두꺼운 유막이 형성되어 ABS-like 레진 소재 간 마찰계수와 마모율을 줄이는 것으로 판단 된다.

4. 결 론

본 연구에서는 볼온디스크 시험을 통해 SLA 3D 프린 팅 방식으로 출력된 ABS-like 레진의 실리콘 오일 윤활 유 점도에 따른 마찰 및 마모 특성에 관해 평가하였다.

볼온디스크 시험에 사용된 실리콘 오일 윤활제는 동점 도 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 최대온도 가 47.0

^o

C 까지 증가함을 확인하였다. 또한, 무윤활 상태 시험 후의 디스크와 볼의 마모율은 각각 5.768 × 10

-10

mm

³

/N·m 과 2.76 × 10

^-4

mm

³

/N·m 로 측정되었다. 볼온디 스크 시험 중 실리콘 오일 윤활제를 활용하는 경우 마찰 계수와 마모량은 현저히 줄어들며, 윤활제의 점도가 높 을수록 낮은 마찰계수와 낮은 마모량을 보였다. 또한 마 찰에 의한 시편의 온도 역시 윤활제의 점도에 따라 감소 함을 확인하였다. 윤활제 점도가 500 cSt인 경우 마찰계 수는 0.267, 최고온도는 42.2

^o

C, 디스크의 마모율은 3.021

× 10

^-10

mm

³

/N·m, 볼의 마모율은 1.62 × 10

^-4

mm

³

/N·m이 었으나, 점도가 2000 cSt인 경우 마찰계수는 0.123, 최고 온도는 36.5

^o

C, 디스크의 마모율은 1.069 × 10

^-10

mm

³

/N·m, 볼의 마모율은 1.31 × 10

^-4

mm

³

/N·m까지 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 현상은 실리콘 오일에 의해 형성되 는 유막에 의한 것으로 보이며 윤활제의 점도가 높을수 록 두꺼운 유막이 형성되기 때문으로 판단된다.

향후 3D 프린팅 부품을 기계요소로 활용하기 위해서 는 보다 다양한 소재의 트라이볼로지 특성과 적합한 윤 활제에 관한 연구 및 무윤활 상태에서의 마찰 저감을 위 한 연구가 필요할 것으로 보인다.

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