3차원 잉크젯 쾌속 조형법을 위한 세라믹 상변화 잉크의 음속측정 Measurement of the intrinsic speed of sound in a hot melt ceramic slurry for 3D rapid prototyping with inkjet technology원문보기
3차원 쾌속 조형법은 컴퓨터에 저장되어있는 객체 데이터를 이용하여 시제품을 제작하는 기술로써, 기존의 나무나 클레이, 혹은 주조 제작방식과는 달리 원하는 위치에 요구되는 재료를 직접 적층함으로써 원형제품을 제작함을 특징으로 한다. 스테레오리쏘그래피, 용융 점착법, 선택적 레이저 소결법, 판상 제작법 등의 다양한 3차원 쾌속 조형법이 개발되었으나, 그 중에서 잉크젯을 통한 3차원 쾌속 조형법은 잉크화된 조형재료를 통해 구조적으로 기능이 가능한 원형제품의 제작이 가능하다는 특징이 있다. 그러나, 기능성 원형제품의 제작을 위해서는 잉크의 고농도화가 요구되며, 이로 인해 잉크 점도가 상승되어 젯팅 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다. 본 논문에서는 3차원 쾌속 조형법을 위한 최적 젯팅조건을 도출하기 위해 슬러리 타입 세라믹 상변화 잉크의 음파 전달속도 측정과 음파 전달속도가 젯팅에 미치는 영향을 고찰하도록 한다.
3차원 쾌속 조형법은 컴퓨터에 저장되어있는 객체 데이터를 이용하여 시제품을 제작하는 기술로써, 기존의 나무나 클레이, 혹은 주조 제작방식과는 달리 원하는 위치에 요구되는 재료를 직접 적층함으로써 원형제품을 제작함을 특징으로 한다. 스테레오리쏘그래피, 용융 점착법, 선택적 레이저 소결법, 판상 제작법 등의 다양한 3차원 쾌속 조형법이 개발되었으나, 그 중에서 잉크젯을 통한 3차원 쾌속 조형법은 잉크화된 조형재료를 통해 구조적으로 기능이 가능한 원형제품의 제작이 가능하다는 특징이 있다. 그러나, 기능성 원형제품의 제작을 위해서는 잉크의 고농도화가 요구되며, 이로 인해 잉크 점도가 상승되어 젯팅 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다. 본 논문에서는 3차원 쾌속 조형법을 위한 최적 젯팅조건을 도출하기 위해 슬러리 타입 세라믹 상변화 잉크의 음파 전달속도 측정과 음파 전달속도가 젯팅에 미치는 영향을 고찰하도록 한다.
3D rapid prototyping is the manufacturing technology to fabricate a prototype with the data stored in a computer, which differs from conventional casting technology in terms of an additive process. Various 3D rapid prototyping techniques such as stereolithograpy. fused deposition modeling. selective...
3D rapid prototyping is the manufacturing technology to fabricate a prototype with the data stored in a computer, which differs from conventional casting technology in terms of an additive process. Various 3D rapid prototyping techniques such as stereolithograpy. fused deposition modeling. selective laser sintering, laminated object manufacturing have been developed but among them, 3D inkjet printing has a unique feature that materials could be jetted to directly form the body of a prototype, which could be a finished product functionally and structurally. However, this needs ink with a high solid content, which tends to increase the dynamic viscosity of ink. The increase of ink viscositytends to restrict the jettable range of ink and hence the jetting conditions should be optimized. The intrinsic speed of sound in a hot melt ink with ceramic nanoparticles dispersed is one of key components to determine the jettable range of ink. In this paper, the way to measure the intrinsic speed of sound in a hot melt ceramic ink is proposed and its influence on the jetting condition is discussed.
3D rapid prototyping is the manufacturing technology to fabricate a prototype with the data stored in a computer, which differs from conventional casting technology in terms of an additive process. Various 3D rapid prototyping techniques such as stereolithograpy. fused deposition modeling. selective laser sintering, laminated object manufacturing have been developed but among them, 3D inkjet printing has a unique feature that materials could be jetted to directly form the body of a prototype, which could be a finished product functionally and structurally. However, this needs ink with a high solid content, which tends to increase the dynamic viscosity of ink. The increase of ink viscositytends to restrict the jettable range of ink and hence the jetting conditions should be optimized. The intrinsic speed of sound in a hot melt ink with ceramic nanoparticles dispersed is one of key components to determine the jettable range of ink. In this paper, the way to measure the intrinsic speed of sound in a hot melt ceramic ink is proposed and its influence on the jetting condition is discussed.
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문제 정의
따라서, 고형분 증가에 따라 높아진 점도의 잉크를 젯팅하기에 최적인 전압 상승과 하강시점을 찾기 위해 잉크의 음파 전달속도를 구하는 것이 중요하며, 본 논문에서는 3차원 잉크젯 프린팅을 위해 알루미나 나노 입자가 분산된 왁스 잉크의 음파 전달속도를 구하는 방법론과 음파 전달속도가 최적 구동조건에 미치는 영향에 대해 논하도록 하겠다.
본 논문에서는 세라믹과 같은 기능성 재료를 직접 석 층 할 수 있는 3차원 잉크젯 프린팅을 이용한 쾌속 조형법에 있어서 최적 구동조건값을 도출하기 위한 입자 분산된 잉크의 음파 전달속도를 측정하는 방법을 논의하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가설 설정
잉크젯 프린트 헤드 내부의 잉크유동은 음파의 생성 및 전파, 감쇄를 고려하기 위해 제한적 압축성 유체로 가정된다. 실린더형 압전소자 내의 반경방향 압력은 축방향 압력변화에 비해 미세하므로 축방향 압력변화만 고려되었으며, 압력파의 파장이 장파장일 경우 축방향 유동의 2 차 미분항은 무시될 수 있다.
제안 방법
Hypermer LP1 와 1-Octadecylaminee 전체 잉크에서 각각 1 wt%, 0.5 wt% 만큼 첨가하였으며, 알루미나 나노입자는 0 vol%, 10 vol%, 15 vol%, 20 vol%, 25 vol%, 30 vol%, 35 vol%와 40 vol%의 부피분율로 혼입하였다 [23],
실린더형 압전소자의 내경, 외경 및 길이는 각각 1.07 mm, 1.5 mm, 7.41 mm이며, 재질은 PZT 5H로써, 요구되는 물성데이터는 Morgan Matroc사에서 제공된 물성 표를 참조하였다 [19], 임피던스 분석기, HP 4192A LF (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)로 압전소자에 5 V 사인파를 주파수별로 보낸 후 임피던스와 위상 각을 측정하도록 하였다.
우선 측정방법의 신뢰성 검증을 위해 상온 25℃에서 음파 전달속도가 알려진 액체들에 대해 임피던스 측정법을 통해 계산된 음파 전달속도와 비교를 하도록 하였으며, 고온에서 측정할 경우 압전소자의 물성치가 온도에 의해 변화함으로써 측정값에영향을 주는지를 검증하기 위해 나프탈렌을 고온 100℃에 용융시켜 측정하여 비교하도록 하였다. 그 결과, 표 1과 같이, 임피던스 측정법으로 측정한 경우, 상온 25℃와 고온 100℃에서 모두 2% 내외의 측정오차를 보임을 알 수 있었다.
구동조건은 에 비례하게 된다. 좀더 정확하게는 음파 전달속도 cf 대신에 미세 채널내부에서의 압력 전달속도를 이용하여야 하지만, 이는 미세 채널의 치수와 재질 등에 영향을 받으므로 적용 잉크젯 프린트 헤드에 따라 다른 값을 도출하므로, 본 논문에서는 ModelMaker 6 Pro (Sanders Design Int., Wilton, NH, USA)의 잉크젯 프린트 헤드에서 도출된 실험값을 기준으로 하였다.
대상 데이터
알루미나 나노입자가 왁스에 분산된 상변화 잉크에서, 알루미나 나노입자는 Sumitomo사의AES11C를 사용하였다. 사용된 AES11C의 입도분포 및 비표면적 값은 dl0, d5o 그리고 或에서 각각 0.
성능/효과
1) 슬러리 잉크에서 실린더형 압전소자를 주기 진동시키면서 주파수에 따른 임피던스 및 위상값 변하른임피던스 분석기로 측정한 후, 수식을 통해 음파 전달속도를 도출할 수 있다.
2) 도출된 음파 전달속도는 문헌값과 비교하여 상온 25℃에서뿐만 아니라 압전소자의 물성치가 문헌값과 편차가 있을 것으로 예상되는 고온 100℃ 에서도 2% 내외의 오차범위 내에서 측정할 수 있다.
3) 알루미나 나노입자가 서로 다른 부피분율로 분산된 상변화 잉크의 음파 전달속도를 측정하였으며, 일정 부피분율까지는 음파 전달속도가 순수한 상변화 잉크에 비해 감소하지만 일정 부피분율 이상에서는 음파 전달속도가 증가함을 알 수 있었으며, 이와 같은 잉크 음파 전달속도의 변화는 잉크젯 프린트 헤드의 최적 구동조건값의 변화를 야기시킨다.
4) 고형 입자의 높은 부피분율은 일반적으로 잉크의 점도를 상승시키며, 이로 인해 젯팅이 불안정해지거나 젯팅 실패확율이 높아진다. 하지만, 측정한 음파 전달속도를 이용하여 최적 구동조건을 도출함으로써 젯팅안정성과 신뢰성을 향상시켜 안정적인 3차원 잉크젯 프린팅작업을 수행할 수 있다.
하였다. 그 결과, 표 1과 같이, 임피던스 측정법으로 측정한 경우, 상온 25℃와 고온 100℃에서 모두 2% 내외의 측정오차를 보임을 알 수 있었다.
이와 같이 높은 음파 전달속도를 가지는 고체 입자가 액체상에 분산되어 있을 경우 혼합물의 전체 음파 전달속도가 증가할 것으로 예상되었으나 그림 6과 같이 음파전달속도는 알루미나 나노입자의 부피분율이 35 vol%까지는 감소하는 현상을 보였으며, 반면 35 vol% 이상부터 증가하는 현상을 보였다.
최적 구동조건값은 알루미나 부피분율이 0 vol%, 10 vol%, 20 vol%, 30 vol%, 35 vol% 그리고 45 vol %일 때 각기 25.93 “ s, 29.97 “ s, 32.46 “ s, 37.47s, 40.06 “ s 그리고 39.96 “s이다 [22], 이론적으로 예측된 바와 같이, 슬러리에서 알루미나 나노입자의 부피분율이 35 vol %까지 증가할수록 음파 전달속도는 감소하게 되어, 고정된 채널 길이 하에서의 최적 구동조건값은 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. 반면 35 vol% 이상 부피분율에서는음파 전달속도가 다시 소폭 증가하는 경향을 보이므로, 최적 구동조건값이 감소하는 모습을 보인다.
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