표면개질 된 광경화성수지와 열가소성수지의 레이저 투과 접합에 관한 연구 = A Study on Laser Transmission Joining of the Patterned Thermosetting Resin(Polyurethane) and Thermoplastic Resin(Acetate)
저자
발행사항
대구 : 계명대학교 대학원, 2016
학위논문사항
학위논문(석사)-- 계명대학교 대학원 : 기계공학과 레이저 가공전공 2016. 8
발행연도
2016
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
대구
형태사항
ⅳ, 65 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 최해운
소장기관
친환경적 공법인 고밀도에너지 레이저 투과 접합 기술(980nm)을 이용하여 광경화성 수지와 열경화성수지의 접합방법에 대한 연구로, 3D프린터를 이용하여 광경화성수지(폴리우레탄)에 패턴을 주어 열가소성수지(아세테이트)와 접합하는 연구내용을 보고 하였다.
먼저 폴리우레탄의 광학적 특성을 알아보기 위해 산란실험을 진행하였으며, 실험결과 파장이 길수록 투과율과 반사율은 높아지지만 산란과 흡수율은 낮아지는 것을 알 수 있었다. 또한 HD로 제작을 했을 경우 투과율은 낮고 재료에 입사가 이루어지는 비율도 크기 때문에 UHD에 비하여 제작 정밀도가 조금 떨어진다는 것을 알 수 있다.
접합실험은 유동성이 좋은 아세테이트와 폴리우레탄의 기계적 결합력을 크게 하기 위해 폴리우레탄에 두 가지 패턴을 주었다. 첫 번째 패턴으로는 폴리우레탄을 격자무늬로 설계하여 아세테이트가 폴리우레탄에 침습되도록 하였다. 두 번째 패턴으로는 폴리우레탄을 볼록렌즈 형태로 설계하여 아세테이트와 기계적 결합이 일어나도록 하였다. 이는 볼록렌즈일 때 레이저 열원이 폴리우레탄에 투과되어 아세테이트에 에너지가 골고루 전달되도록 하기 위해서이다.
접합 실험 결과로 첫 번째 격자무늬의 패턴에서는 8 watt 500 mm/min에서의 모재에 대한 파단으로 인장강도는 18.1 N/mm2, 9 watt 500 mm/min에서는 인장강도는 16.2 N/mm2 으로 나타났다. 접합부가 파단이 되지 않고 모재에서의 파단으로 접합부의 강도는 측정 할 수 없지만 모재의 파단으로 접합부의 강도는 신뢰성이 충분히 확보 되었다. 그리고 모재에서의 파단 된 인장강도가 폴리우레탄 물성치의 인장강도보다 작게 나오는데 이것은 열에 의해 폴리우레탄이 영향을 받아 강도가 약해진 것으로 분석 된다. 또한 8 watt에서의 인장강도가 높게 나타나는데 이는 9 watt에서 적절한 레이저 에너지 소입 및 균질한 아세테이트 충진률로 기인한 것으로 분석 된다. 두 번째 실험인 볼록렌즈 패턴에서는 pitch-0.5mm 일 때가 pitch-0.75mm 일 때보다 인장강도가 높은 것을 확인 할 수 있다. 이것은 레이저의 열원이 렌즈에 의해 분산되어 아세테이트가 폴리우레탄에 충진이 되는 공간이 pitch-0.5mm일 때가 더 적합하다는 것을 나타낸다.
본 연구를 통해 비접촉식인 레이저를 사용하여 계면에 열원을 주어 접합을 하였으며 폴리머에 손상이 없고 재생성이 가능하다. 바이오 폴리머를 사용하였기 때문에 환경오염을 줄여줄 수 있고 열경화성수지의 특징인 열에 의한 변형력이 적은 성질과 열가소성수지의 특징인 열에 의한 유동성을 동시에 만족시킬 수 있는 복합소재 생산이 가능할 것으로 전망된다.
This study involved a joining experiment of patterned thermoset polymers using the eco-friendly laser transmission joining technology. Experiments were carried out to join the thermoplastic acetate to the other polymer with different polarities of the thermosetting polyurethane resin using a 3D printer.
A scattering experiment was also performed to evaluate the optical properties of the polyurethane. The transmittance and reflectance increased as the wavelength increased, but the scattering rate decreased. Further, when samples were manufactured in high density (HD) mode, the degree of precision deteriorated compared to the ones with ultra-high density (UHD) due to the low transmittance and the high ratio of incidence in the material.
In this joining experiment, two types of patterns on the polyurethane were designed to increase the mechanical binding force between polyurethane and acetate. Firstly, in order to let the acetate infiltrate into the polyurethane, the polyurethane was designed in a grid pattern. Secondly, polyurethane was designed in the form of convex lens so that the acetate could be combined with the polyurethane mechanically. The experiment was done by transferring the energy from the laser that penetrates through the polyurethane and to the acetate equally.
As a result, with the first grid pattern, a 18.1 N/mm2 tensile strength was achieved at 8 watts 500 mm/min and 16.2 N/mm2 at 9 watts 500 mm/min, respectively. It was found that the tensile strength obtained at 8 watts was higher because of the relatively appropriate laser energy quenching and homogeneous acetate filling rate. With the second convex lens pattern experiment, the tensile strength was higher at a 0.5 mm gap than at a 0.75 mm gap. This indicates that the space between the polyurethane at a 0.5 mm gap is more appropriate. This was filled with acetate when the laser heat source was dispersed by the lens.
In this experiment, the polymer could be reformed without being damaged due to the use of a non-contact laser that provided the heat source at the joining interface. Also, with the use of the bio-polymer, environmental pollution can be reduced. Production of composite materials that feature both resistance to thermal deformation by the thermosetting resin and characteristics of thermal fluidity by the thermoplastic resin is now possible.
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