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압출 적층 방식의 알루미늄 용융기의 설계 및 해석
Design and Analysis of Aluminum Melting Machine in Fused Deposition Modeling Method 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.14 no.4, 2015년, pp.62 - 72  

이현석 (창원대학교 기계공학부) ,  나영민 (창원대학교 기계공학부) ,  강태훈 (창원대학교 기계공학부) ,  박종규 (창원대학교 기계공학부) ,  박태곤 (창원대학교 전기공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Interest in three-dimensional (3D) printing processes has grown significantly, and several types have been developed. These 3D printing processes are classified as Selective Laser Sintering (SLS), Stereo-Lithography Apparatus (SLA), and Fused Deposition Modeling (FDM). SLS can be applied to many mat...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 구리 소재 노즐을 Fig. 14와 같이 방열판에 부착하고 온도 분포 및 가열 시간 등을 확인하여 설계된 노즐이 목적에 적합한지를 판단하고자 한다. 방열판과 노즐이 결합된 상태에서는 최고 온도뿐만 아니라 노즐 끝단의 온도가 용융점을 넘어서는지 그리고 그 소요 시간은 얼마인지도 매우 중요한 사항이다.
  • 기존 FDM 방식으로는 노즐 온도를 660 ℃까지 가열하는데 많은 시간이 소요된다. 그러므로 카트리지 가열기, 방열판, 고정대등의 설계를 통해 가열 시간을 최소화하고 안정성을 높이고자 하였다. 또한 600 ℃ 이상에서 금속이 가열되므로 열전달과 더불어 열팽창 현상이 동시에 일어나기 때문에 연성 해석이 필수다.
  • 21, 22와 같은 방열판 및 노즐을 제작하였다. 노즐의 주 소재는 구리이며 고온의 상황이 지속되면 구리의 산화 속도 또한 가속되므로 SUS 코팅을 통해 이를 방지하고자 하였다. 노즐의 경우 피 용융재의 압출 속도와 스테핑 모터의 회전 속도가 적절한 균형을 이뤄야 안정적인 출력을 기대할수 있다.
  • 본 논문에서는 FDM 방식의 알루미늄 압출이 가능한 3D 프린터에 사용할 수 있는 금속 용융기를 제안하였다.
  • 본 논문에서는 대중적인 비철금속이며 용융점이 660 ℃로 다른 금속에 비해 상대적으로 낮은 알루미늄 6061을 소재로 비철금속 압출방식의 금속 용융 프린팅 장치를 제안한다.
  • 본 논문에서는 이와 같은 열전도를 이용해 금속을 가열할 수 있는 방법인 카트리지 가열기를 사용하여 금속을 용융 하고자 한다.
  • 이를 토대로 온도 변화가 없어지는 지점 및 실험 환경 요소를 동시에 고려하여 최적 지름 및 길이를 결정하고자 한다.
  • 1% 였으며 오차가 발생한 이유는 스테핑 모터의 탈조 현상과 일정하지 않은 용융 온도로 인해 열 수축이 일정하지 않은 것에서 비롯한다. 이를 통해 본 용융기가 금속 재료를 이용해 모델링을 출력할 수 있는 가능성을 확인하였다.
  • 방열판의 열전도 해석은 해석 시간의 단축을 위하여 Stationary 해석을 실시하였다. 이를 통해 정상상태일 때의 온도 분포 및 방열판 겉면의 온도를 확인하여 각 지름 당 온도 분포를 파악하고자 하였다.
  • 본 용융기 설계는 고열을 이용한 것이기 때문에 열팽창을 수반한다 그러므로 열팽창에 따른 변형  또한 중요한 요소라고 할 수 있다. 이에 따라 물체의 안전한 정도를 파악하는데 척도가 되는 주응력을 확인하였다. 먼저 주응력의 경우 Fig.
  • 본 용융기에 사용될 카트리지 가열기는 길이가 약 110 mm이므로 노즐이 카트리지 모두를 감쌀 수 있게 하였다. 즉, 표면적을 이용해 열을 효과적으로 방출함에 따라 카트리지의 과열을 방지하고자 하였다. 이를 위해 방열판과 맞닿는 지름으로 노즐의 크기를 설정하였으며 적층에 용이하도록 돌출된 형태로 설계하였다.

가설 설정

  • 열전달 문제는 방향에 따른 열 전달률의 크기와 정확성의 정도에 따라서 1, 2, 3 차원으로 구분할 수 있다. 일반적인 경우엔, 3 차원으로 가정하며 이는 열전달 과정 동안 매체 내에 서의 온도 변화가 세 방향으로 이루어질 수 있다는 것을 나타낸다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
3D 프린터의 제작방식에는 무엇이 있는가? 3D 프린터의 제작 방식에는 대표적으로 Fig. 2와 같이 Fused Deposition Modeling(FDM), Selective Laser Sintering(SLS)와 Stereolithography(SLA)가 있다. SLS 방식은 레이저를 이용하여 정밀할 뿐만 아니라 플라스틱에서 합금에 이르기까지 다양한 재료로 제작이 가능하다.
SLA방식의 단점은 무엇인가? 하지만 고출력의 레이저를 요구하기 때문에 가격이 비싼 단점이 있다. SLA는 광경화성 플라스틱 등을 사용하여 빠르고 정밀한 제작이 가능하지만 재료가 한정적인 단점이 있다. 이렇게 각 방식 모두 프린팅 원리가 다르며 특징이 분명하지만 현재까지 고품질의 금속 프린팅이 가능한 방식은 SLS 방식이 유일하다.
SLS 방식의 단점은 무엇인가? SLS 방식은 레이저를 이용하여 정밀할 뿐만 아니라 플라스틱에서 합금에 이르기까지 다양한 재료로 제작이 가능하다. 하지만 고출력의 레이저를 요구하기 때문에 가격이 비싼 단점이 있다. SLA는 광경화성 플라스틱 등을 사용하여 빠르고 정밀한 제작이 가능하지만 재료가 한정적인 단점이 있다.
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참고문헌 (11)

  1. Choi. S. K., Rapid prototyping technology for industrial designers., Hye Ji Won, pp. 1-2, 2010. 

  2. Electronic Resource, Semiconductor & Display Korea - Current Status and Prospects of 3D printing process technology, Electronic Resource Inc., pp.61-61, 2013. 

  3. Kim. S. H., Inc., Research of 3D printing technology trends and technology opportunities., Korea Institute of Science and Technology Information., pp. 22-23, 2013. 

  4. Kim. S. H., Inc., Research of 3D printing technology trends and technology opportunities., Korea Institute of Science and Technology Information., pp. 26-26, 2013. 

  5. Korea Institute of Machinery & Materials., Global 3D printer industry and technology trends analysis., Korea Institute of Machinery & Materials., pp. 6-6, 2013. 

  6. Park. J. D., Kim. T. H., Jeon. E. C., "Study on the Roughness Improvement using Parameter of Rapid Prototy- ping", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 6, No. 3, pp. 77-84, 2007. 

  7. Wang. D. H., "Development of gear type grease lubricator by rapid prototyping", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 13, No. 6, pp. 46-53, 2014. 

  8. "DMT 3D Metal Printer,"(2014), http://www.insstek.com/technology/dmt.asp, (accessed 17, July., 2014). 

  9. Yunus A. cengel., Heat transfer: A Practical Approach, Second Edition., McGrawHill, pp.58-58, 2006. 

  10. Yunus A. cengel., Heat transfer: A Practical Approach, Second Edition., McGrawHill, pp.533-533, 2006. 

  11. "Cartridge Heater,"(2014), http://www.dwhot.net/?page_id1098, (accessed 6, August., 2014). 

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