2.1 전기철도 전철 부품의 적층제조를 위한 기초 연구

본 논문에서는 전기철도 전철 부품의 스마트 제조를 위해 고속철도 전기철도 전차선로에서 오버랩이나 인류개소에서 애자를 연결할 때 사용되는 클레비스형 단말 클램프를 이용하였다. 본 논문에서 제안한 고속철도용 전차선로 클레비스형 단말 클램프는 한국철도시설공단 표준규격의 제조 및 가공에 따라 금속 주형 또는 로스트왁스 (Lost-Wax)법으로 주조하여야 한다 ⁽⁸⁾. 일반적으로 금속 주형 또는 로스트왁스법을 이용하여 금속 부품을 제작할 경우 원형 왁스를 주형재에 주입하고 소성 과정을 통해 왁스를 제거한 이후 금속을 주입하여 제작하는 공정이다 ⁽⁹⁾. 따라서 주조 또는 주형을 이용하여 패턴을 제작한 이후에 로스트왁스의 틀을 만드는 반면 적층제조기법을 이용할 경우 왁스패턴을 직접 제작할 수 있어 초기 제작이 불필요하다 ⁽¹⁰⁾. 적층제조기술이 적용될 경우 그림 2과 같이 몰드제작에 필요한 시간을 단축 시킬 뿐만 아니라 철도 부품 등의 시제형상의 디자인을 수정하는 것이 쉽고 패턴 직접제조에 따라 복잡한 형상의 제작이 용이하다. 그림 2에 정밀주조에 필요한 기존공정과 적층제조 기술 공정을 비교하였으며 본 내용은 참고문헌을 통해 보고된 바 있다 ⁽¹⁰⁾. 본 논문에서는 적층제조기술을 적용한 적층제조 적용공정의 사전 단계로 한국철도시설공단 표준규격의 클레비스형 단말 클램프의 부도를 3차원 모델링하여 적층제조기법인 SLA를 이용하여 전철 부품을 제작하였다.

Fig. 1. A Picture of Clevis Termination Clamp on Catenary system

Fig. 2. An analysis competitive with conventional manufactur ing process and additive manufacturing techniques.

한국철도시설공단 표준규격에 나타난 클레비스형 단말 클램프의의 형상과 치수는 공칭 값에 따라 허용오차를 제한하고 있으며 동합금 주물의 치수 허용차는 10 mm 미만인 경우 ± 0.75 mm로 약 7.5% 정도의 오차 허용을 주고 있으나 크기에 따라 다르며 630 mm에서 1,000 mm의 경우 ± 2 mm로 엄격하게 허용오차를 관리하고 있다⁽⁸⁾. 특히 검수 시험에서 치수, 구조, 무게를 각각 검사하고 시료의 수량에 따라 검수를 수행하고 있기 때문에 전철 부품의 적층제조 기 술 적용을 위해서는 그림 2에 나타난 적층제조 패턴과 전철 부품의 형상 비교가 필요하다. 그림 3에 본 논문에 적용된 SLA 장치의 제작 공정 계략도를 나타내었다. 본 논문에서 적층제조를 위해 활용된 적층제조 기기는 Zrapid사의 SL300E로 SLA기반의 인쇄 레이어 두께는 0.1 mm 이다. 본 논문에서는 클레비스형 단말 클램프 제작을 위해 CAD (Computer-Aided Design)준비, 인쇄 공정 및 후처리 공정을 각각 진행하였고 단면단위로 CAD파일을 변환한 다음 적층제조를 수행하였다. 이후 클리닝 및 알콜세척을 수행하였고 지지물을 제거한 다음 UV (Ultraviolet)를 이용하여 후 경화하였다.

Fig. 3. Overview of SLA Process with slicing a model

2.2 전기철도 전철 부품의 디지털 기반 적층제조

Fig. 4. 3D printing of Clevis Termination Clamp

그림 4(a)에 클레비스형 단말 클램프의 모형제작을 위한 3차원 모델 사진을 나타내었다. 그림과 같이 클레비스형 단말 클램프의 주요 부품별 제작을 위해 3차원 CAD 프로그램으로 설계하고 모델링 데이터를 추출하였다. 그림 4(b)에 클레비스형 단말 클램프의 적층체조 결과 사진을 나타내었다. 그림과 같이 클레비스형 단말 클램프의 주요 부품인 쐐기, 클레비스 금구를 각각 제작하였으며 제작 이후 오차율 측정을 위해 별도의 가공은 하지 않았다. 일반적으로 제작 시의 온도변화와 적증제조 장비의 성능에 따라 표면의 거칠기가 틀릴 수 있으나 본 논문에서는 수행하지 않았다.

Fig. 5. Competitive between 3D model and scanning results of Clevis Termination Clamp

적층제조한 단말 클램프를 3차원 하이브리드 스캐너를 이용하여 이미지를 검출하였고, 3차원 모델링 결과와 비교하여 정밀도를 측정하였다. 그림 5는 3차원 스캔결과와 3차원 모델링 결과를 나타낸다. 본 논문에서 사용된 3차원 영상처리 장치는 3차원 영상처리 영역은 275 × 250 mm로 속도는 480,000 수집/초이며 해상도는 50 ㎛이다.

SLA기법으로 제작된 클레비스형 단말 클램프 모형의 정밀성을 검증하기 위해 3차원 좌표측정기를 이용하여 최대 공차를 측정하였다. 그림 6와 표 1에 3차원 좌표측정기를 이용하여 제작된 클레비스형 단말 클램프의 측정을 위한 설명도와 측정결과를 각각 나타내었다. 본 논문에서 사용된 3차원 좌표측정기는 측정범위는 1,000 × 1,600 × 600 mm, 최대오차는 300 ㎛, 분해능은 0.2 ㎛이다. 표 1에서와 같이 편차는 최대 ± 500㎛ 이내로 규격에서 제시한 편차에 모두 적합함을 알 수 있다. 따라서 적층제조기법인 SLA를 이용한 제작 기법은 우수 정밀도를 나타내어 향후 금속 기반의 전철 부품의 시제품과 적용성 검토를 위해 사용될 것으로 기대된다.

Fig. 6. Illustration of measured positions for Clevis Termination Clamp