This paper summarizes the results of an investigation into the environmental factors that have an indirect impact on parts quality, as well as those process variables and modeling information that have a direct impact. The effects of strength, surface hardness, roughness, and accuracy of shape, that...
This paper summarizes the results of an investigation into the environmental factors that have an indirect impact on parts quality, as well as those process variables and modeling information that have a direct impact. The effects of strength, surface hardness, roughness, and accuracy of shape, that is, qualities that users generally need to know, were evaluated with laminating direction experimentally. The 3D printing methods used in this experiment were fused deposition modeling (FDM), stereolithography apparatus (SLA), selective laser sintering (SLS), 3D printing (3DP) and laminated object manufacturing (LOM). The goal was to achieve a high standard of quality control and product quality by optimizing the fabrication process.
This paper summarizes the results of an investigation into the environmental factors that have an indirect impact on parts quality, as well as those process variables and modeling information that have a direct impact. The effects of strength, surface hardness, roughness, and accuracy of shape, that is, qualities that users generally need to know, were evaluated with laminating direction experimentally. The 3D printing methods used in this experiment were fused deposition modeling (FDM), stereolithography apparatus (SLA), selective laser sintering (SLS), 3D printing (3DP) and laminated object manufacturing (LOM). The goal was to achieve a high standard of quality control and product quality by optimizing the fabrication process.
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문제 정의
본 논문에서는 3D 프린팅 기술을 이용하여 파트를 제작하는데 영향을 미치는 요소들에 대하여 정리하였다. 즉, 파트의 품질에 간접적인 영향을 미치는 환경적 요인과 직접적인 영향을 미치는 공정 변수 및 조형정보에 대해 정리하였다.
본 논문에서는 다양한 3D 프린팅 장비를 이용하여 동일한 형상의 상대적인 특성을 비교하였고, 특히 곡면형상의 오차를 비교하기 위한 자유곡면시편을 고안하여 곡면오차를 비교평가 하였다.
본 논문에서는 이러한 제품의 적층방향별 강도를 각 장비별로 측정하여 적층방향에 따른 강도변화를 정리하여 파트의 제작 및 장비의 선택에 있어 참고할 수 있는 데이터를 제시하기 위해 실험을 실시 하였다. 실험은 각 장비별로 X, Y, Z 세 방향으로 인장시험용 시편을 제작하여 각 시편 당 세 번의 실험을 하여 측정하였다.
본 논문에서는 3D 프린팅 기술을 이용하여 파트를 제작하는데 영향을 미치는 요소들에 대하여 정리하였다. 즉, 파트의 품질에 간접적인 영향을 미치는 환경적 요인과 직접적인 영향을 미치는 공정 변수 및 조형정보에 대해 정리하였다. 또한 파트의 조형에 직접적 영향을 미치는 조형정보에 대해 실제 일반적으로 사용자가 요구하는 품질기준(강도, 표면경도, 표면조도 및 치수정확도)에 준해 실험을 통해 그 영향을 평가하였다.
제안 방법
기본적으로 연속적인 성형이 이루어지는 적층 상면과 층과 층이 결합되는 적층 측면이 경도의 차이를 보일 것으로 예상할 수 있다. Fig. 4와 같이 표면경도 측정용 시편으로 변의 길이가 15 mm인 사각 기둥형상으로 각 장비를 이용하여 제작하였으며 표면경도 측정을 위해서 일반적인 플라스틱 등의 연성재료를 측정하는 로크웰 경도시험기를 사용하였다.
STL파일 품질, 조형방향 결정 및 서포트 유무 결정과 같은 소프트웨어 변수를 통해 고품질의 파트를 출력하기 위한 각 장비별로 적층방향에 따른 최적의 방법을 알아보았으며, 조형정보의 영향정도를 정성적 비교를 통해 특성을 파악하였다.
조형정보에 대해 각 적층방향별로 여러 가지 3D 프린터 장비들을 이용하여 시편을 제작하였으며 인장시험과 경도측정을 수행하여 각 장비별로 상이한 방향별 강도및 경도에 대하여 평가하였다. 그리고 장비별, 소재별로 파트의 표면조도를 각 방향에 대하여 측정하여 장비별 표면특성을 구하였다. 또한 장비별 형상의 정밀도를 전용시편을 제작하여 3차원 스캐닝 하여 치수의 정밀도 및 정확도를 평가하였고, 동일한 장비에서도 제작 방향에 따른 치수의 정확도를 평가하였다.
그리고 장비별, 소재별로 파트의 표면조도를 각 방향에 대하여 측정하여 장비별 표면특성을 구하였다. 또한 장비별 형상의 정밀도를 전용시편을 제작하여 3차원 스캐닝 하여 치수의 정밀도 및 정확도를 평가하였고, 동일한 장비에서도 제작 방향에 따른 치수의 정확도를 평가하였다.
즉, 파트의 품질에 간접적인 영향을 미치는 환경적 요인과 직접적인 영향을 미치는 공정 변수 및 조형정보에 대해 정리하였다. 또한 파트의 조형에 직접적 영향을 미치는 조형정보에 대해 실제 일반적으로 사용자가 요구하는 품질기준(강도, 표면경도, 표면조도 및 치수정확도)에 준해 실험을 통해 그 영향을 평가하였다. 조형정보에 대해 각 적층방향별로 여러 가지 3D 프린터 장비들을 이용하여 시편을 제작하였으며 인장시험과 경도측정을 수행하여 각 장비별로 상이한 방향별 강도및 경도에 대하여 평가하였다.
또한, 3D 출력물 제작시 요구되는 여러 가지 조형정보 및 공정변수에 대해 설명하고, 그 중 소프트웨어 변수인 적층방향이라는 3D 프린팅 정보(3D printing information)를 가지고 국내외에서 가장 많이 사용되는 SLA, FDM, SLS, 3DP 및 LOM의 5가지 방식의 3D 프린터 장비[8]를 이용하여 제조사에서 추천하는 표준설정으로 시편을 제작하였으며 실험을 통하여 기계적 물성치의 정성적인 비교를 통해 특성을 파악하고자 한다.
본 연구에서는 5가지 다른 3D 프린팅 장비로 Fig. 5와 같은 자유곡면형상의 시편을 만든 후, 각각 다른 치수의 위치에서의 3가지 적층방향에 따른 치수정확도 및 형상오차를 측정하여 Table 6에서 Table 10와 같이 참고 할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 각 공정별로 제품의 상면 및 측면의 표면조도를 측정하여 Table 5와 같이 나타내었으며 그 차이를 정리하여 제품 성격에 맞는 장비 및 공정을 선택할 수 있도록 하였다. 실험은 장비별, 적층방향별로 중심선 평균조도(Ra)를 측정하여 적층방향에 따른 장비별 표면조도의 영향을 정량화 하였다.
본 논문에서는 이러한 제품의 적층방향별 강도를 각 장비별로 측정하여 적층방향에 따른 강도변화를 정리하여 파트의 제작 및 장비의 선택에 있어 참고할 수 있는 데이터를 제시하기 위해 실험을 실시 하였다. 실험은 각 장비별로 X, Y, Z 세 방향으로 인장시험용 시편을 제작하여 각 시편 당 세 번의 실험을 하여 측정하였다. Fig.
본 연구에서는 각 공정별로 제품의 상면 및 측면의 표면조도를 측정하여 Table 5와 같이 나타내었으며 그 차이를 정리하여 제품 성격에 맞는 장비 및 공정을 선택할 수 있도록 하였다. 실험은 장비별, 적층방향별로 중심선 평균조도(Ra)를 측정하여 적층방향에 따른 장비별 표면조도의 영향을 정량화 하였다.
또한 파트의 조형에 직접적 영향을 미치는 조형정보에 대해 실제 일반적으로 사용자가 요구하는 품질기준(강도, 표면경도, 표면조도 및 치수정확도)에 준해 실험을 통해 그 영향을 평가하였다. 조형정보에 대해 각 적층방향별로 여러 가지 3D 프린터 장비들을 이용하여 시편을 제작하였으며 인장시험과 경도측정을 수행하여 각 장비별로 상이한 방향별 강도및 경도에 대하여 평가하였다. 그리고 장비별, 소재별로 파트의 표면조도를 각 방향에 대하여 측정하여 장비별 표면특성을 구하였다.
대상 데이터
FDM방식의 Dimension SST장비를 이용하여 ABS 소재를 사용한 시편에서는 폭 방향 인장강도는 22.5 MPa, 두께방향 인장강도 20.31 MPa, 길이방향 인장강도 7.77 MPa 로 측정되었다. 폭방향 연신율은 0.
실험에 사용된 장비는 3D systems사의 SLA5000 (SLA)[9], EOS사의 EOS-P (SLS)[10], Stratasys사의 Dimension SST (FDM)[11], 3D systems사의 Z402 (3DP)[9], Kira Corporation사의 KIRA (LOM)[12]이며 사용된 소재는 Somos11120 (SLA), PA2200 (SLS), ABS (FDM), ZP100 (3DP), Paper (LOM)가 사용되었다. Fig.
실험에 사용된 장비는 SLA5000, EOS-P, Dimension SST, Z402 그리고 KIRA이다. 인장강도인 경우 폭, 두께방향 적층에서는 KIRA장비를 이용한 Paper 시편이 가장 크며, 길이방향 적층에서는 SLA5000이 가장 크다, 반면 연실율를 이용한 Paper 시편이 가장 크며, 길이방향 적층에서는 SLA5000장비를 사용한 Comos11120 시편이 가장 크다.
성능/효과
그리고 SLA5000장비를 이용하여 Somos11120 소재로 출력한 시편에서 적층 측면과 적층 상면에 가장 큰 표면경도를 가지는 반면 적층 측면상 Z402장비를 이용한 ZP100시편에서 가장 큰 표면조도를 적층 상 면에서는 Dimension SST장비로 이용한 ABS 시편에서 가장 큰 표면조도를 가진다. 마지막으로 치수정확도 측면에서는 FDM방식을 사용하는 Dimension SST장비의 ABS시편의 폭방향, 두께 방향, 길이방향 적층의 치수정확도 오차가 가장 낮은 것을 알 수 있다.
이 장비는 두께방향과 길이방향 적층이 거의 같은 인장강도와 연신율을 보이고 있으나 길이방향 적층의 경우 상대적으로 매우 낮은 인장강도와 연신율을 보이고 있다. 와이어 형태의 재료를 사용하여 파단시의 형상 또한 각 와이어들이 분리되는 형태로 나타났으며 그 결합도가 ABS인 재질 자체의 강성에 크게 미치지 못하는 결과를 보여주었다. 특히 길이방향 적층이 매우 낮게 측정되어 각 필라멘트간의 결합력이 약하다는것 측정되어 각 필라멘트간의 결합력이 약하다는 것을 보여준다.
69 MPa 로 측정되었다. 폭 방향 연신율은 0.125 %, 두께방향 연신율은 0.143%, 길이방향 연신율은 0.064 % 의 값이 계산되었다. 이를 통해 실제로 적층방향과 무관하게 거의 일정한 인장강도가 측정되는 것을 알 수 있다.
77 MPa 로 측정되었다. 폭방향 연신율은 0.076%, 두께방향 연신율은 0.076%, 길이방향 연신율은 0.019%의 값이 계산되었다. 이 장비는 두께방향과 길이방향 적층이 거의 같은 인장강도와 연신율을 보이고 있으나 길이방향 적층의 경우 상대적으로 매우 낮은 인장강도와 연신율을 보이고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3D 프린팅에는 어떤 방식이 있는가?
3D 프린팅의 대표적인 방식에는 SLA (stereolithography apparatus), FDM (fused deposition modeling), SLS (selective laser sintering)가 있으며 이외에도 3DP (three dimensional printing), LOM (laminated object manufacturing), 잉크젯 (inkjet) 등 다양한 종류가 현재 개발 중이다[1,5,6]. 이를 이용한 출력을 위해서는 우선적으로 CAD/CAM (computer aided design/ computer aided manufacturing) 시스템을 이용하여 3차원 모델링을 해야 하며 G-code로 변환해야 하는데 이때 사용되는 상용프로그램은 Cura, Slic3r, KISSlicer 등 다양하게 있다[7].
3D 프린팅 장비가 요구하는 온도와 습도를 유지하는 것이 중요한 이유는 무엇인가?
대부분의 3D 프린팅 장비에 있어서 필수적으로 갖추어져야 할 중요한 공정의 변수는 온도, 습도이다(필수필요부대장비 : 항온항습기). 장비 및 사용하는 재료에 따라 필요로 하는 온도 및 습도가있으므로, 이 조건이 맞지 않을 경우 시제품 성형 시에 나타나는 문제들의 원인을 판단하기가 매우 어렵다. 그러므로 공정변수 및 조형정보의 설정에 앞서 장비가 요구하는 온도와 습도를 유지하는 것이 매우 중요하다.
3D 프린팅(printing) 기술의 응용 분야가 확대되는 이유는?
3D 프린팅(printing) 기술은 기존의 기술과 비교했을 때 필요한 양만큼 소량생산이 가능하며, 금형 없이 제품생산이 가능하기 때문에 응용 분야가 확대 되고 있다[1]. 이러한 기술로 3차원 시제품 제작 등에 이용되고 있으며, 구체적으로는 전기 전자분야, 건축분야, 자동차산업, 조직공학 및 항공·우주분야 등에 활용되고 있다[2-4].
참고문헌 (12)
Park, J. H., Park, S. H., Kang, J. J., Lee, H. J., Lee, J. K., Lee, N. K., 2013, Trend of Rapid Prototyping and Usage Reverse Engineering, Proceedings of the KSMTE Autumn Conference, 343.
Kim, N. Y., Kim, M. A., Chae, B. H., Park, J. B, Lee, S. H., 2014, The Current State of 3D Printer and It's Application Plan, Proceedings of the KSMTE Spring Conference, 277.
Pfister, A., Landers, R., Laib, A., Hubner, U., Schmelzeisen, R., Mulhaupt, R., 2004, Biofunctional Rapid Prototyping for Tissueengineering Applications: 3D Bioplotting versus 3D Printing, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 42:3 624-638.
Jung, H. J., Kim, J. H., 2014, Fabrication of Piezo-riven Micropositioning Stage using 3D Printer, Journal of Korean Society Precision Engineering, 31:3 277-283.
Utela, B., Storti, D., Anderson, R., Ganter, M., 2008, A Review of Process Development Steps for New Material Systems in Three Dimensional Printing (3DP), Journal of Manufacturing Processes, 10:2 96-104.
Olszewski, R., Szymor, P., Kozakiewicz, M., 2014, Accuracy of Three-dimensional, Paper-based Models Generated using a Low-cost, Three-dimensional Printer, Journal of Cranio-maxillofacial Surgery, 42:8 1847-1852.
Kim, G. D., Kim, J. Y., 2006, Benchmark Study on Surface Roughness and Mechanical Properties of Rapid Prototypes, Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, 15:4 56-62.
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