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...
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 materials, but because it uses a laser-based material removal process, it is expensive. SLA enables fast and precise manufacturing, but available materials are limited. FDM printing's benefits are its reasonable price and easy accessibility. However, metal printing using FDM can involve technical problems, such as suitable component supply or the thermal expansion of the heating part. Thus, FDM printing primarily uses materials with low melting points, such as acrylonitrile butadiene styrene (ABS) or polylactic acid (PLA) resin. In this study, an FDM process for enabling metal printing is suggested. Particularly, the nozzle and heatsink for this process are focused for stable printing. To design the nozzle and heatsink, multi-physical phenomena, including thermal expansion and heat transfer, had to be considered. Therefore, COMSOL Multiphysics, an FEM analysis program, was used to analyze the maximum temperature, thermal expansion, and principal stress. Finally, its performance was confirmed through an experiment.
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 materials, but because it uses a laser-based material removal process, it is expensive. SLA enables fast and precise manufacturing, but available materials are limited. FDM printing's benefits are its reasonable price and easy accessibility. However, metal printing using FDM can involve technical problems, such as suitable component supply or the thermal expansion of the heating part. Thus, FDM printing primarily uses materials with low melting points, such as acrylonitrile butadiene styrene (ABS) or polylactic acid (PLA) resin. In this study, an FDM process for enabling metal printing is suggested. Particularly, the nozzle and heatsink for this process are focused for stable printing. To design the nozzle and heatsink, multi-physical phenomena, including thermal expansion and heat transfer, had to be considered. Therefore, COMSOL Multiphysics, an FEM analysis program, was used to analyze the maximum temperature, thermal expansion, and principal stress. Finally, its performance was confirmed through an experiment.
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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.
제안 방법
이에 따라 Fig. 23과 같이 충분히 소재를 용융시키고 그것을 밀어내는 형식으로 출력을 시도하였다. 설계된 부품들을 모두 조합하여 실험 환경을 구축하였으며 Fig.
설계 변수 중 하나인 지름을 Fig. 6과 같이 42 mm에서 62 mm까지 4 mm간격으로 조절하며 각각의 방열판 온도를 비교하고자 하였다.
방열판과 노즐이 결합된 상태에서는 최고 온도뿐만 아니라 노즐 끝단의 온도가 용융점을 넘어서는지 그리고 그 소요 시간은 얼마인지도 매우 중요한 사항이다. 그러므로 Fig. 15와 같이 노즐구 끝 단의 온도 변화를 파악하기 위하여 0.5 분 간격으로 20분까지의 Time dependent 해석을 수행하였으며, Mesh는 Physics-controlled의 Fine 크기를 기준으로 약 7만 5천개가 설정되었다. Mesh의 경우, 약 3만개에서 16만개로 개수를 달리하여 해석을 진행한 결과, 약 7만 5천개부터는 16만개의 해석 결과와 약 1% 차이가 나는 것을 확인하여 Mesh 개수가 결정되었다.
즉, 열 방출이 뛰어난 구조 설계 및 온도 예측을 위하여 열전도 해석이 이루어져야 한다. 그러므로 다물리 해석을 통해 금속 용융이 가능하면서 실험 환경에 영향을 주지 않는 크기의 가열기를 설계한다.
고정대의 경우 실험을 실시 할 시 고정대의 길이가 과도하게 짧다면, 실험 환경 구성 시에 고정에 어려움을 겪을 우려가 있으며 이와 반대로 과도하게 길어진다면 노즐과 방열판 자체 무게에 의한 굽힘이 발생할 수 있다. 그러므로 온도 분포에서 보인 특성과 실험 환경 설정의 요소 모두를 고려하였을 때 고정대의 길이를 55 mm로 결정하였다.
또한 600 ℃ 이상에서 금속이 가열되므로 열전달과 더불어 열팽창 현상이 동시에 일어나기 때문에 연성 해석이 필수다. 그러므로 유한 요소 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 통해 용융기의 최고 온도 및 가열 시간, 열팽창, 주응력 등을 파악한다. 그리고 해석된 데이터를 기반으로 실험을 수행하여 알루미늄 용융기의 가능성을 확인하였다.
그러므로 유한 요소 해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 통해 용융기의 최고 온도 및 가열 시간, 열팽창, 주응력 등을 파악한다. 그리고 해석된 데이터를 기반으로 실험을 수행하여 알루미늄 용융기의 가능성을 확인하였다.
노즐 해석을 실시하기 전에 노즐이 장착될 최적의 방열판을 선택하기 위해 방열판의 열전도 해석을 실시하였다. 설계 변수 중 하나인 지름을 Fig.
이에 따라 용융기를 설계하기 위해 방열판의 지름 및 고정판의 길이를 설계 인자로 하는 열전도 해석을 실시하였다. 노즐을 부착하지 않은 각 설계인자의 경우 지름 및 길이가 변화하여도 온도 분포에 큰 영향이 없다는 것을 확인하였다 이에 실험 시의 안정성 및 편의를 위하여 지름 및 길이를 55, 54 mm로 설정하였다.
신발 형상의 모델링을 출력하는 실험을 통해 본 용융기의 정밀성을 파악하고자 하였으며 출력물의 품질을 확인하기 위하여 형상 오차를 계산하였다. 형상 오차의 계산은 각 변의 상대 오차를 확인하고 그 상대오차의 평균으로 계산하였다.
실험은 가열 및 출력 실험으로 나뉜다 먼저 가열 실험은 용융기에 전기를 인가하여 알루미늄의 용융점인 660 ℃까지 도달하는 시점을 3 분 간격으로 측정한다 다음으로 출력 실험은 신발 형상의 물체 출력을 시도하여 본 용융기의 성능을 확인 한다.
10과 같이 최소 15 mm에서 최대 65 mm까지 10 mm 간격으로 모델링 되었으며 해석 경계 조건은 방열판 해석과 동일하다. 열전도 해석은 정상상태에서의 온도 분포를 알기 위해 Stationary 해석을 수행하였으며 고정대 겉면의 위치 별 온도 분포를 파악하고자 하였다 고정대는 실험을 위한 외부 장치와 직접적으로 결합되는 중요한 부분이기 때문에 길이가 온도에 미치는 영향을 규명해야 한다.
)과 방열판을 지지할 고정대의 길이(h)가 결정되어야 한다. 이 두 요소가 부적절하다면 회로의 전소 및 안전사고의 원인이 될 수 있으므로 두 설계 인자를 조절하여 최적의 형상을 찾고자 하였다 방열판은 카트리지의 형상 및 제작의 편의를 고려하여 원기둥 형상으로 설계하였으며 이는 Fig. 4와 같다. 소재로는 대중적인 소재이며 약 1150 ℃의 용융점을 가지고 있는 SUS(Special Use Steel) 304를 방열판 및 고정대의 소재로 채택하였고 그 물성치를 정리한 표는 Table 3과 같다.
즉, 표면적을 이용해 열을 효과적으로 방출함에 따라 카트리지의 과열을 방지하고자 하였다. 이를 위해 방열판과 맞닿는 지름으로 노즐의 크기를 설정하였으며 적층에 용이하도록 돌출된 형태로 설계하였다. 설계는 3D 설계 프로그램인 솔리드웍스(Solidworks)를 이용하였고 노즐의 형상은 Fig.
이에 따라 용융기를 설계하기 위해 방열판의 지름 및 고정판의 길이를 설계 인자로 하는 열전도 해석을 실시하였다. 노즐을 부착하지 않은 각 설계인자의 경우 지름 및 길이가 변화하여도 온도 분포에 큰 영향이 없다는 것을 확인하였다 이에 실험 시의 안정성 및 편의를 위하여 지름 및 길이를 55, 54 mm로 설정하였다.
5와 같이 가열기를 해석하기에 앞서 가열기를 이루고 있는 방열판, 고정대의 해석을 통해 가열기의 최적 형상을 결정하여야 한다. 즉, 앞서 언급하였던 Dh와 h 두 설계 인자를 변화시키며 열전달 해석을 수행한 뒤 최고 온도와 최저 온도를 비교한다. 이를 토대로 온도 변화가 없어지는 지점 및 실험 환경 요소를 동시에 고려하여 최적 지름 및 길이를 결정하고자 한다.
5 MPa이었다. 카트리지 고정부 주위의 주응력은 Fig. 20과 같이 모서리가 아닌 면에서 나타났기 때문에 COMSOL의 보조 기능 중 하나인 Surface Maximum기능을 이용하여 카트리지 고정부의 시간 별 최대 주응력을 추출하였다. 추출 결과, SUS 304의 최대 인장 응력이 520 MPa인 것에 반해 측정된 최대 주응력은 약 418 MPa이었다.
카트리지 히터에 전원을 인가하여 용융점까지의 도달 시간을 측정하였다. 본 용융기는 금속을 용융하여 물체를 출력해야 함으로 최고 온도의 도달 여부와 동시에 도달 시간을 측정 하여 금속 용융의 가능성을 타진해야 한다.
카트리지를 감싸고 있는 방열판 겉면의 온도 분포를 알기 위하여 Fig. 7과 같이 Line Graph를 이용하였다. 42 mm부터 62 mm까지 동일한 위치에 방열판 몸체 앞 뒤 끝단까지의 Fig.
해석된 데이터를 토대로 가열기를 제작하고 용융실험을 실시하였다 먼저 실험 환경을 구축하여 주위 환경의 영향을 최대한 배제하였으며 적층 실험 및 형상 출력 실험을 통해 가열기의 성능과 더불어 정밀성 안정성을 확인 하고자 하였다 가열 실험에서는 카트리지 가열기에 전원을 인가하여 온도 도달 여부 및 그 시간을 측정하였으며 약 20 분 경과 후 용융점에 도달하는 모습을 보였다. 출력 실험에서는 신발 형상의 모델링과 유사하게 출력할 수 있음을 확인하여 본 용융기의 가능성을 확인할 수 있었다.
신발 형상의 모델링을 출력하는 실험을 통해 본 용융기의 정밀성을 파악하고자 하였으며 출력물의 품질을 확인하기 위하여 형상 오차를 계산하였다. 형상 오차의 계산은 각 변의 상대 오차를 확인하고 그 상대오차의 평균으로 계산하였다. Fig.
대상 데이터
용융기는 크게 카트리지 가열기, 노즐, 방열판 고정대로 구성돼있다 그 중에서 노즐은 본 논문의 핵심 장치로써 알루미늄의 용융점인 6061 의 융융점인 660 ℃ 이상을 견뎌낼 수 있는 소재로 제작되어야 한다. 그러므로 빠른 시간 내에 열전도가 이루어지며 용융점은 약 1000 ℃인 구리(Copper)를 노즐의 소재로 선택하였고 그 물성치는 Table 2에 정리하였다.
알루미늄 용융을 위한 발열 소재로는 카트리지 가열기를 채택하여 빠른 시간 내에 고열을 방출할 수 있게 하였으며 카트리지를 감싸는 재료로는 열전도가 타 재료에 비해 빠르며 가공성이 뛰어난 구리 실험 재료로는 용융점이 660 ℃인 알루미늄 6061을 선정하였다. 또한 카트리지를 고정할 방열판 및 고정대의 재질로는 대중적이며 최대 항복 응력이 높은 SUS 304로 채택하였다.
4와 같다. 소재로는 대중적인 소재이며 약 1150 ℃의 용융점을 가지고 있는 SUS(Special Use Steel) 304를 방열판 및 고정대의 소재로 채택하였고 그 물성치를 정리한 표는 Table 3과 같다.
알루미늄 용융을 위한 발열 소재로는 카트리지 가열기를 채택하여 빠른 시간 내에 고열을 방출할 수 있게 하였으며 카트리지를 감싸는 재료로는 열전도가 타 재료에 비해 빠르며 가공성이 뛰어난 구리 실험 재료로는 용융점이 660 ℃인 알루미늄 6061을 선정하였다. 또한 카트리지를 고정할 방열판 및 고정대의 재질로는 대중적이며 최대 항복 응력이 높은 SUS 304로 채택하였다.
이러한 가열기가 비철금속인 알루미늄을 용융시키려면 기존 FDM에 사용되는 카트리지 가열기 보다 더욱 큰 출력을 내야 한다. 이를 위해 기존과 비교해 더욱 큰 출력을 낼 수 있는 카트리지 가열기를 선정하였으며 사양은 Table 1과 같다.
데이터처리
이를 위해 방열판과 맞닿는 지름으로 노즐의 크기를 설정하였으며 적층에 용이하도록 돌출된 형태로 설계하였다. 설계는 3D 설계 프로그램인 솔리드웍스(Solidworks)를 이용하였고 노즐의 형상은 Fig. 3과 같다.
이론/모형
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.
해석은 다물리 연성 해석이 가능한 COMSOL Multiphysics를 사용하였고 Heat Transfer In Solid(Ht) 모듈을 적용하였다. 방열판 및 고정대 열전도 해석을 위해 사용된 경계 조건은 Heat Source, Surface-to-Ambient Radiation, Convective Heat Flux 그리고 Heat Transfer in Fluids이다.
성능/효과
본 용융기는 660 ℃이상의 열을 방출해야 하므로 열팽창에 관한 사항을 무시할 수 없다 그러므로 열팽창 사항까지 포함한 다물리 해석을 실시하여 가열 시간 및 주응력을 확인 하였다 그 결과 알루미늄 압출구가 알루미늄의 용융점을 넘기는 시간은 약 9 분 이후인 것을 확인하였고 주응력이 집중된 부분인 가열부 및 카트리지 고정부의 주응력은 각각 226.5, 418 MPa로 SUS 304의 최대 항복 응력인 520 MPa이하였다.
20과 같이 모서리가 아닌 면에서 나타났기 때문에 COMSOL의 보조 기능 중 하나인 Surface Maximum기능을 이용하여 카트리지 고정부의 시간 별 최대 주응력을 추출하였다. 추출 결과, SUS 304의 최대 인장 응력이 520 MPa인 것에 반해 측정된 최대 주응력은 약 418 MPa이었다.
해석된 데이터를 토대로 가열기를 제작하고 용융실험을 실시하였다 먼저 실험 환경을 구축하여 주위 환경의 영향을 최대한 배제하였으며 적층 실험 및 형상 출력 실험을 통해 가열기의 성능과 더불어 정밀성 안정성을 확인 하고자 하였다 가열 실험에서는 카트리지 가열기에 전원을 인가하여 온도 도달 여부 및 그 시간을 측정하였으며 약 20 분 경과 후 용융점에 도달하는 모습을 보였다. 출력 실험에서는 신발 형상의 모델링과 유사하게 출력할 수 있음을 확인하여 본 용융기의 가능성을 확인할 수 있었다.
해석 결과, Fig 16과 같은 온도 분포가 확인되었으며 최대 및 최저 온도는 921 ℃와 62.3 ℃인 것으로 나타났다. 또한 압출구 끝단의 온도 분포를 확인해 보았을 때 Fig.
후속연구
향후 계획으로는 출력에 있어 알루미늄이 산화되면 그 접촉 강도가 떨어짐에 따라 용융과 동시에 불활성 가스를 분사하여 표면의 산화를 막을 수 있는 기구를 개발하고자 한다 또한 알루미늄의 용융시간을 더욱 단축시키기 위해 일반 환봉이 아닌 용접용 알루미늄 와이어를 출력에 적용하여 용융 시간을 단축시킬 것이다.
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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