Since its birth in the late 1980s, Rapid Prototyping and Manufacturing (RPM) technology has played a crucial role to innovate the product development process across the various fields of industry. Rapid prototyping (RP) processes using non-functional materials, such as photopolymer, plastics, paper, etc., have been well established so that they could even produce parts in production quality directly from the CAD solid data. In addition, they can create precise and strong models to be used as master patterns for tooling applications; however, the intermediate conversion process in between unavoidably requires additional building time and cost. Thus, as an attempt to minimize the additional efforts, a new category of RP processes using metals have emerged to fabricate metal parts and moulds directly from the CAD data.
Metal RP processes based on metal deposition build layers by depositing molten metal. The metal deposition methods include laser sintering, laser cladding, welding and so forth. Due to the nature of layer-by-layer building processes and the thermal deformation during solidification, however, the resulting surface quality and dimensional accuracy are inherently limited. Also, Compared with conventional CNC machining, high-speed machining (HSM) technology has several advantages. It was reported that with HSM, due to its high material removal rate, aluminum alloys could be machined ten times faster than with CNC machining. Furthermore, most of the heat generated during machining is carried away by chips so fast that the part temperature remains almost unchanged, nearly no thermal effects on part properties. And these strengths unarguably make HSM a promising rapid manufacturing (RM) technology. However, HSM is capable of generating only embossed surfaces, i.e., it cannot be applied to the fabrication of three-dimensional parts with geometrical complexity including reentant cavities; and also the workpiece set-up is time-consuming and occupies a large portion of the entire process time.
In order to reduce the set-up time in machining, various attempts to effectively and conveniently fix an arbitrarily shaped workpiece have been made. The design of jig and fixture to hold a workpiece, i.e., mechanical fixturing, should consider the interference with tool paths. Many studies on geometrical and kinematical analysis for workpiece fixturing have been reported. Since it depends almostly upon part geometry, especially for a complex part, the set-up time alone could be ten times longer than the machining time for some cases. To tackle the reduction of set-up time for the machining process, several methods based on phase change of materials have been developed. In methods using metals, a workpiece is partially soaked in a vat, which is filled with a molten metal whose melting point is lower than that of the part material. Even though it is much easier to hold a complex workpiece, only the part of the workpiece above the molten metal can be machined. In other words, the fixturing methods based on phase change are not applicable to the freeform fabrication as it is.
In this works, a new RM process (HisRP) combined HSM with an automatic fixturing technique that is based on phase change of a low-melting point alloy is proposed, in order to take advantages of strong points of HSM, such as excellent surface quality and dimensional accuracy, etc., and of the flexibility of workholding methods based on phase change to reduce the set-up time and to enable multi-face machining for the fabrication of complex metal parts. Several sample parts have been fabricated to demonstrate the practical applicability . As a typical example of the two-face machining, a fan with four wings is produced and then its dimensions are measured. An aluminum mini-skull has been selected to be an example part for four-face machining. The automatic fixturing technique is used to fasten the workpiece. To examine the capability of machining thin walls, a thin-walled hemispherical shell and a thin-walled hollow cylinder have been manufactured by both conventional HSM and HisRP. Using the finite element method, the machining process of a hollow cylinder by both methods has been analyzed.
1980년대 후반부터 쾌속조형 및 제작 (Rapid Prototyping and Manufacturing ,RPM) 기술은 여러 산업 분야에서 제품 개발 공정의 혁신시켜왔다. 폴리머, 플라스틱, 종이 등과 같은 비기능성 재질을 사용한 쾌속조형 (Rapid Prototyping, RP) 공정은 CAD 데이터로부터 직접적으로 양질의 제품을 쉽게 제작 가능하다. 또한 그 공정들은 보다 정밀하고 강한 모델을 만들어서 툴링(tooling) 응용에 사용하기도 한다. 그러나 이러한 공정간의 변환에 있어서 피할 수 없이 시간과 비용이 추가적으로 요구된다. 따라서 이러한 추가 공정의 최소화를 위한 시도로서 CAD 데이터로부터 직접 금속 및 금형을 제작할 수 있는, 금속을 사용한 새로운 범위의 RP 공정이 시도되고 있다.
금속 RP 공정은 용융 금속의 층과 층을 적층하는 금속 적층 기법에 기반을 두고있다. 이러한 방법에는 레이저 소결, 레이저 클래딩, 용접 등의 방법이 있다. 층과 층을 쌓아가는 특성과 금속의 고형화에 의한 열변형 때문에 결과적으로 표면 품질과 칫수 정밀도가 본질적으로 한계가 있다. 또한 전통적인 CNC 가공과 비교하여 보면, 고속 가공 (High-speed Machining, HSM) 기술은 몇 가지 장점이 있다. 일반가공에 비해 고속가공은 빠른 재질 제거율, 특히 알루미늄의 경우 10 이상 빠르다고 보고되어지고 있다. 빠른 칩 제거로 인하여 가공공정 중에 발생하는 열 발생이 없기 때문에 가공재질은 온도변화가 거의 없는 상태로 재질 특징을 유지할 수 있다. 이러한 강점들은 고속가공을 쾌속 제작 (Rapid Manufacturing, RM) 기술로 가능케한다. 그러나 고속가공은 단지 캐비티 곡면만을 제작 가능하다. 즉. 공작물의 셋업 (set-up)은 시간이 많이 소요되고 전체적인 공정시간에 많은 부분을 차지한다
가공을 의한 셋업 시간을 줄이기 위하여 임의 형상을 효율적으로 그리고 쉽게 고정하는 여러 가지 시도가 있었다. 공작물을 고정하는 지그와 고정부(fixture) 설계, 즉, 기계적인 고정은 공구의 간섭을 고려하여야 한다. 기하학적이고 운동학적인 해석들도 많이 연구되어왔다. 이러한 시도들은 전체적으로 특히, 복잡한 부품, 공작물 형상과 밀접한 관계가 있기 때문에 통상적으로 셋업 시간이 가공시간의 10이상 소요된다.
이러한 셋업 시간을 줄이기 위하여 상변화 (phase change)에 의한 몇 가지 방법이 제안되어왔다. 금속을 사용하는 방법은 용융 금속의 온도가 공작물의 온도보다 낮은 재질의 용기에 공작물을 부분적으로 담그는 방법이다. 복잡한 가공물의 경우에 이 방법은 매우 쉬운 반면, 용융금속 위부분만 가공이 가능하다. 이 방법은 자유형상의 제작 방법에는 상변화 방법이 적용에 한계가 있다.
본 논문에서는 새로운 쾌속 제작공정 (HisRP)으로 고속가공과 상변화 충진기법을 기반으로 한 자동충진(automatic filling) 공정을 결합한 공정을 제안하였다. 즉, 고속가공의 장점인 우수한 표면 품질, 제품 칫수의 정밀도 등을 최대로 하고, 임의 형상의 금속 제품의 다면가공 (multi-face machining)을 위한 상변화 고정 기법을 기반으로 한 유연한 공작물 고정기법을 개발하였다. 몇 가지 적용 제품이 실제적으로 제작하여 본 공정의 유용성을 보여주었다. 2면 가공의 대표적인 예는 4개의 날개를 가진 팬(fan)이 제작되고 칫수 정밀도가 분석 비교되었다. 또한 알루미늄 두개골(mini-skull)이 4면 가공을 위한 예제로 선택되었다. 이때 자동 충진 기술이 사용되었다. 박벽(thin wall) 제작이 비교되어 제작되었으며, 고속가공과 충진을 고려한 고속가공의 경우에 대한 예제로 중공 반구(hollow hemisphere)와 박벽 중공 실린더 (hollow cylinder) 제작 비교되었다. 유한 요소법에 의한 박벽 중공 실린더가 해석되고 비교되었다.
