원심 주조를 사용하여 얇은 섹션과 격자 금속의 간접 제작

이 동영상의 전반적인 목표는 원심 주조를 통한 격자 금속 제작을 위해 용융 금속으로 세포 미세 공동을 채우는 과정을 시연하는 것입니다. 이 내용은 공정 파라미터, 용융 금속의 재료 특성 및 격자 몰드 공동의 기하학적 구조가 급속 미세 주조에서의 흐름 및 응고와 어떻게 상관관계가 있는지와 같은 핵심 질문에 답하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이 기술은 격자 금속 제조 시 금속의 직접 3D 프린팅 방식을 보완하며, 격자 금속의 설계 공간에서 재료 선택의 폭을 확장합니다.

오늘은 박사 과정생 문지원 님과 함께 실험 절차를 시연하겠습니다. 준비 단계로, 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어를 사용하여 스프루 시스템이 포함된 옥텟 트러스 구조의 희생 패턴을 설계하십시오. 스프루 시스템이 통합된 이 옥텟 트러스 구조 패턴은 주조 과정 중에 용해됩니다.

CAD 소프트웨어를 사용하여 희생 패턴의 부피를 기록하고 필요한 금속 질량을 계산합니다. 아크릴 모델을 출력한 후, 텍스트 프로토콜에 상세히 설명된 주조 공정을 진행하십시오. 다음 단계는 지지체 재료를 녹여내는 것입니다.

그 후, 잔류 지지체를 추가로 제거합니다. 그런 다음, 패턴을 조립합니다. 조립이 완료되면 매몰재 혼합 과정을 수행합니다.

매몰재 수용액 혼합물에서 모든 덩어리를 확실히 제거하십시오. 다음은 번아웃(burnout) 과정입니다. 우선, 가열 및 냉각 일정에 따라 가열로의 시간을 설정하십시오.

이 크기의 플라스크의 경우, 번아웃에는 6시간이 소요됩니다. 이제 가마를 켜고 번아웃 일정을 시작하십시오. 번아웃 과정 동안 희생 패턴이 녹아 가스로 분해됩니다.

이제 다음 두 섹션에 설명된 캐스팅 과정을 계속 진행하십시오. 시작하기 전에 원심 캐스팅 기기의 암(arm)이 425 RPM의 각속도로 회전하는지 확인하십시오. 타코미터를 사용하여 이 속도에 필요한 설정을 찾으십시오.

각 합금을 용해하기 위한 세라믹 도가니를 선택합니다. 금속 절단기를 사용하여 합금을 10 millimeter에서 20 millimeter 크기의 조각으로 자릅니다. 이번 실험에서 사용되는 알루미늄과 구리 각각의 합금을 약 150 grams씩 자릅니다.

이제 격자 설계에 필요한 각 합금의 정확한 질량을 측정하십시오. 패턴 캐비티는 용융된 합금으로 정밀하게 가득 채워져야 합니다. 그런 다음, 상온의 물이 담긴 버킷을 준비하십시오.

30 liters면 충분합니다. 다음으로, 방염복을 착용하고 장갑과 고글을 씁니다. 이제 전기로에서 석고 몰드를 일시적으로 꺼냅니다.

이를 원심 주조기의 플라스크 크래들에 넣고, 원심분리기 암의 균형을 맞춥니다. 그다음, 석고 몰드를 다시 전기로에 넣고 장치를 482 °C까지 가열하기 시작합니다. 그동안 도가니 홀더에 도가니를 배치하고, 잘게 자른 합금을 도가니에 넣습니다.

다음으로, 아세틸렌 토치를 준비합니다. 연결된 산소 탱크의 밸브를 열고, 가스 압력을 96.5 kilopascals 또는 14 PSI 근처로 유지합니다. 그 후, 조심스럽게 토치에 불을 붙이고 가스 압력을 이용해 화염의 강도를 조절합니다.

매우 주의하십시오. 화염의 온도가 1,200 °C까지 올라갑니다. 이제 도가니 안의 절단된 합금을 완전히 액화될 때까지 조심스럽게 녹이십시오.

탄소봉을 사용하여 합금을 젓고 토치 화염의 중성염으로 이를 용융시킵니다. 금속을 적절하게 용융시키는 것이 매우 중요한데, 금속의 온도가 너무 낮으면 금형 전체를 채우지 못하기 때문입니다. 반면, 온도가 너무 높으면 기공이 증가하여 구조적 결함이 발생할 수 있습니다.

이제 가열된 석고 몰드를 가마에서 꺼내어, 용융 합금이 담긴 도가니 옆의 플라스크 크래들 홀딩 암에 장착하십시오. 장비의 덮개를 닫으면 암이 자동으로 회전하기 시작하며, 최소 3분 동안 회전시키십시오.

거시 입자 역학 및 각속도로 계산했을 때, 약 420 RPM의 회전 속도는 몰드 캐비티에서 8.03 meters per second의 유입 속도를 생성합니다. 3분 후, 원심 주조기의 전원을 끕니다. 그런 다음 커버를 열고 집게를 사용하여 플라스크 크레이들에서 석고 몰드를 제거합니다.

합금의 색상이 고체 상태의 색상으로 돌아올 때까지 15분에서 20분 동안 실온에서 몰드를 식힙니다. 그 후, 집게를 사용하여 석고 몰드를 물 양동이에 약 5분 동안 담가 급냉시킵니다. 몰드의 온도가 실온에 가까워지면 급냉 과정이 완전히 완료된 것입니다.

이제 몰드 내부의 격자 금속을 얻으려면 몰드를 물에 녹이기만 하면 됩니다. Jibsen 몰드는 2분 이내에 쉽게 용해됩니다. 이제 텍스트 프로토콜에 설명된 샌드블라스팅 세척과 같은 후처리가 가능합니다.

금형, 특히 벽면이 얇은 알루미늄 octet truss는 다소 취약하므로 설명된 샌드블래스팅 압력을 반드시 준수하십시오. 프로토콜 섹션에 기술된 간접 적층 제조 방식을 사용하여 알루미늄 및 구리 합금으로 octet truss 금속을 제조하였습니다. 희생 패턴을 녹여내기 위해 6시간 동안 번아웃 공정을 수행하였습니다.

원심 주조 공정 후, 최종 생성물은 알루미늄 및 구리 합금으로 제작된 옥텟 트러스 금속이었습니다. 용융 알루미늄 합금은 미충전(misrun) 없이 격자 몰드 캐비티 전체를 완전히 채웠습니다. 반면, 용융 구리 합금은 용탕 주입 초기 단계의 입구 부분에서 조기 응고로 인한 주조 결함이 나타난 것으로 보였습니다.

이 영상을 시청한 후, 원심 주조를 이용한 격자 금속의 간접 제작 과정에서 용융 금속의 셀 구조 마이크로 공동 충전 방식을 결정하는 공정 변수의 영향에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 이 기술의 개발 이후, 연구자들은 폴리머 3D 프린팅과 원심 주조를 결합함으로써 격자 금속 분야의 간접 제작 방식을 탐구할 수 있는 길을 열었습니다.