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문제 정의
- 본 연구에서는 3DP 공정을 기반으로 한 오피스용 SFF 시스템을 개발하였다. 개발된 오피스용 SFF 시스템은 컨셉 모델 러(concept modeler)이며, 저가격, 고속 제작을 목표로 한다.
- 본 연구에서는 3DP 공정을 기반으로 SFF 시스템을 개발하였다. 특히, 시스템의 설계에서부터 응용까지 전 과정을 나타내었으며, 세부적인 연구 결과는 아래와 같다.
제안 방법
- 고속 제작을 위해 3개의 카트리지를 사용하여 900개의 노즐을 동시에 제어하였다. 또한 다양한 공정 실험을 통해 3DP 공정변수를 분석하고, 치수오차를 검증하였다. 그리고 개발된 오피스용 SFF 시스템을 바이오 분야에 적용하여, 3차원의 복잡한 임의형상을 성공적으로 제작하였다.
- 또한 다양한 공정 실험을 통해 3DP 공정변수를 분석하고, 치수오차를 검증하였다. 그리고 개발된 오피스용 SFF 시스템을 바이오 분야에 적용하여, 3차원의 복잡한 임의형상을 성공적으로 제작하였다.
- X축으로 이루어진다. 특히, 저가의 고속 시스템 구현을 위하여 타이밍 벨트 시스템을 채택하였다. 롤러부는 파우더 공급을 위한 롤러와 피딩룸및 빌딩룸 외부로의 파우더 누설을 방지하기 위한가이드 그리고 롤러에 달라붙는 파우더를 제거하기 위한 장치로 구성되어져 있다.
- 2 와 같이 구성하였다. 그리고 X, Y 축의 고속 서보제어를 위해 속도 모드로 SMCSPO (sliding mode control with sliding perturbation observer) 알고리즘을 적용한 속도모드 제어를 구현하였다. SMCSPO알고리즘은 슬라이딩 섭동관측기를 통해섭동항으로 가정한 시스템의 비선형성이나 외란과모델식의 불확실성에 대해 관측하고 그것을 보상함으로써 강인한 제어를 가능하게 하는 알고리즘으로 알려져 있다哗
- 피드백 받아서 제어를 하였다. 모터의 불감 대영역이 위치에 따라서 다르게 존재함으로 그 영향과 속도의 변화에 따른 위치 제어 결과를 보기 위해 40iml씩 왕복 운동하는 정현파를 제어입력으로 주었다. 또한 같은 방법으로 PD 제어와 비교 하였다.
- 모터의 불감 대영역이 위치에 따라서 다르게 존재함으로 그 영향과 속도의 변화에 따른 위치 제어 결과를 보기 위해 40iml씩 왕복 운동하는 정현파를 제어입력으로 주었다. 또한 같은 방법으로 PD 제어와 비교 하였다.
- 8 (a) 와 같이 슬라이싱 파일에. 레이어 두께 , 레이어 식별 번 紊, 물체 식별 번호 등의 정보를 추가하여 비트맵 생성을 용이하게 하였다. 비트맵 파일 변환시 Fig.
- 프린팅에서의 중요 변수는 등속주행과 상, 하 각 카트리지간의 정렬 문제 이다. 이는 스티칭 (stitching)이 라고도 하며 , 상, 하 카트리지 간의 경계면을 정확히 일치시키기 위하여 카트리지당 4개의 노즐이 중첩 되도록 기구적으로 설계하였다. 실험을 통해 중첩되는 부분의 노즐을 제어함으로써 카트리지간의 경계면에서 중복이나 틈이 발생하지 않도록 하였다.
- 이는 스티칭 (stitching)이 라고도 하며 , 상, 하 카트리지 간의 경계면을 정확히 일치시키기 위하여 카트리지당 4개의 노즐이 중첩 되도록 기구적으로 설계하였다. 실험을 통해 중첩되는 부분의 노즐을 제어함으로써 카트리지간의 경계면에서 중복이나 틈이 발생하지 않도록 하였다. 그리고 상, 하 정렬이 맞다 하더라도 프린터 헤드의 이동속도가 가변된다면, 출력되는 이미지 영역에서는 뒤틀림 현상이 발생한다.
- 2차 시제품으로 두개골 데이터를 이용하여 제작 실험을 수행하였다. 제품의 결합강도와 단차 현상을 줄이기 위하여 레이 어두께를 70側로 하고, 바인더의 양을 최대 80 ㎛로 설정하였다. 기타 제작조건은 Table 3과 같다.
- 2) 3차원 프린팅 공정을 제시하고, 프린터 헤드 제어 및 분사량, 레이어 두께,파우더 베드드 등의 공정 변수를 분석하였다. 그 결과 바인더의 침투속도는 168河s이며, 펄스 신호가 4, 7侬일 때 최대 분사량을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 개발된 오피스용 SFF 시스템은 컨셉 모델 러(concept modeler)이며, 저가격, 고속 제작을 목표로 한다. 고속 제작을 위해 3개의 카트리지를 사용하여 900개의 노즐을 동시에 제어하였다. 또한 다양한 공정 실험을 통해 3DP 공정변수를 분석하고, 치수오차를 검증하였다.
- 본 연구에서는 파우더 표면에 바인더를 선택적으로 분사하기 위하여 Fig. 9와 같이 HP사의 버블젯(bubble jet) 프린터 헤드를 사용하였다. 버블젯 방식의 프린터 헤드는 챔버 또는 노즐 내에 설치된 히터에 순간적인(2~6侬) 펄스를 가하여 히터의 온도를 급상승 시켜 히터 벽면에 버블을 형성한다.
- 그러므로 엔코더 펄스를 받아 프린터 헤드를 제어하지만, 이송속도가 갑자기 변화 될 경우 수백 미크론의 위치 오차가 발생할 수 있다. 실험에 사용된 프린터 헤드는 HP-Desktop®용 45 series이며, 자세한 사양은 Table 1에 나타내었다. 카트리지 당 300개의 노즐을 가지고 있어 고속 프린팅이 가능하다.
- 이송속도에 의해 결정된다. 고속 프린팅을 위해 다수의 노즐을 이용하고 있으며, 본 연구에서는 900개의 노즐을 동시 제어하였다. 그 결과 600dpi의 분해능을 가지면서 1001皿/s의 속도로 프린팅 가능하다.
- 0는 공극면에 닫는 바인더의 접촉각이고, h는 바인더의 침투 깊이를 나타낸다. 실험에 사용된 파우더 베드의 공극은 2 ㎛이며, 표면장력과 점성은 각각 33mN/m 와 1.3mPas 이다. 레이어 두께 100㎛일 때, 식(1)에의하면 침투속도 V 슨 168㎛/s이다.
- 그리고 일정한 강도를 유지하고 있어, 후처리 또한 시제품의 손상 없이 깨끗하게 처리 할 수 있었다. 2차 시제품으로 두개골 데이터를 이용하여 제작 실험을 수행하였다. 제품의 결합강도와 단차 현상을 줄이기 위하여 레이 어두께를 70側로 하고, 바인더의 양을 최대 80 ㎛로 설정하였다.
성능/효과
- 3과. 같이, 전체적으로 롤러의 이송속도가 0.25- 0.3m/s 일 때 최적의 파우더 베드가 형성됨을 확인하였다.
- Fig. 4(a)에서 보듯이 모터의 불감 대 영역에 대응하는 토크를 충분히 줄 수 있어 PD 제어에서는 위상 지연현상이 크게 나타났고 2배 이상의 게인을 가질 경우에도 위상 지연 현상은 변화가 없었다. 하지만 Fig.
- 021皿로 약 20 ㎛의 오차를 가졌다. SMCSPO 알고리즘을 이용한 속도 모드 제어의 경우 상대적으로 좋은 응답 특성을 얻을 수 있었으며, 개발 시스템이 컨셉 모델 러인 점을 감안할 때 오피스용 SFF 시스템에 적용하기에 충분하다고 판단된다.
- 12와 같이 스케일 바를 제작하였다. 실험 결과, X, Y 축의 치수 오차는 대부분 X, Y 스테이지의 위치 오차에 의해 발생됨을 확인하였다. 하지만, Z축의 경우 1차적으로 Z축의 위치 오차에 의한 영향도 받지만, 주로 레이어 두께와 바인더의 분사량 관계에 의해 발생되는 Z-growth 현상에 의한 오차가 지배적임을 확인하였다.
- 실험 결과, X, Y 축의 치수 오차는 대부분 X, Y 스테이지의 위치 오차에 의해 발생됨을 확인하였다. 하지만, Z축의 경우 1차적으로 Z축의 위치 오차에 의한 영향도 받지만, 주로 레이어 두께와 바인더의 분사량 관계에 의해 발생되는 Z-growth 현상에 의한 오차가 지배적임을 확인하였다.
- 13(b)는 분사량을 일정하게 두고, 레이어 두께를 가변시킬 때의 치수 오차 변화에 대한 측정 결과이다. 실험결과 분사량을 일정하게 두고, 레이어 두께를 높이면 치수 오차가 감소되었다. 그러나 동시에 제품의 강도가 함께 낮아지므로 층 결합을 유지하기 위해서는 일정량 이상의 치수 오차는 불가피 함을 확인하였다.
- 실험결과 분사량을 일정하게 두고, 레이어 두께를 높이면 치수 오차가 감소되었다. 그러나 동시에 제품의 강도가 함께 낮아지므로 층 결합을 유지하기 위해서는 일정량 이상의 치수 오차는 불가피 함을 확인하였다.
- 14와 같이 3차원 치아 형상의 구조물을 성공적으로 제작 하였다. 그리고 일정한 강도를 유지하고 있어, 후처리 또한 시제품의 손상 없이 깨끗하게 처리 할 수 있었다. 2차 시제품으로 두개골 데이터를 이용하여 제작 실험을 수행하였다.
- 실험결과 두게 골 형상 제작에서 프린팅 시간은 약 4시간 정도 소요되었다. 그리고 X, Y 축의 치수 정밀도는 由00㎛ 이내에 들었으며, Z축의 경우 800㎛의 치수 오차가 발생하였으나, 이는 앞서 설명한 Z-growth 현상에 의해 최 하부 레이어에서 주로 발생됨을 확인하였다. 두개골 내부의 섬세한 부분까지 성공적으로 제작될 수 있음을 확인하였다.
- 그리고 X, Y 축의 치수 정밀도는 由00㎛ 이내에 들었으며, Z축의 경우 800㎛의 치수 오차가 발생하였으나, 이는 앞서 설명한 Z-growth 현상에 의해 최 하부 레이어에서 주로 발생됨을 확인하였다. 두개골 내부의 섬세한 부분까지 성공적으로 제작될 수 있음을 확인하였다.
- 1) 기구 부의 고속 위치제어를 위해 SMCSPO 알고리즘을 제안하였으며, SMCSPO 속도모드 제어를 수행함으로써 위치 오차를 20/zm 이내로 최소화 하였다.
- 변수를 분석하였다. 그 결과 바인더의 침투속도는 168河s이며, 펄스 신호가 4, 7侬일 때 최대 분사량을 얻을 수 있었다.
- 3) 실험을 통해 개발된 SFF 시스템의 3축에 대한 치수오차를 검증하였으며, X, Y 축은 ±100/血 이내에 들었으며, Z축은 300~800㎛의 치수 오차를 가졌다. 분사량을 줄일수록 Z치수 오차는오차는 작아지나, 결합력이 약화되어 제품의 강도가 함께 낮아지는 특징이 있다.
- 4) 치아 및 두개골 등의 시편 제작에 성공함으로써 바이오 응용 분야에 적용 가능성을 확인하였다.
- 개발된 오피스용 SFF 시스템을 이용하여 치아 및 두개골 등의 생체 모형 제작 실험을 통하여, 바이오 분야의 적용 가능성을 확인하였다. 1차 시제품 제작에서는 치아 형상의 모델을 제작해 보았으며, 실험조건은 Table 2와 같다.
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