[논문]임의 전압파형발생기를 이용한 다중 피에조 잉크젯 3D 프린팅 장비 개발

김정수; 김동수

doi:10.7736/kspe.2015.32.9.781

[국내논문] 임의 전압파형발생기를 이용한 다중 피에조 잉크젯 3D 프린팅 장비 개발
Development of Multi Piezo Ink-Jet Printing System Using Arbitrarily Waveform Generator 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.9, 2015년, pp.781 - 786

김정수 ((주)펨스 인쇄전자연구팀) , 김동수 (한밭대학교 창의융합학과 창의융합학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, studies of 3D printing methods have been working in various applications. For example, the powder base method laminates the prints by using a binding or laser sintering method. However, the draw back of this method is that the post process is time consuming and does not allow for parts to be rapidly manufactured. The binding method requires the post process while the time required for the post process is longer than the manufacturing time. This paper proposes a UV curing binding method with an integrated piezo printing head system. The optimization of an arbitrary waveform generation for the control of a UV curable resin droplet was researched, in addition to developed optimized UV curing processes in multi nozzle ink jet heads.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

ST101은 금속 입자에 폴리머로 코팅되어 있으며, SLS 공정용으로 개발된 재료이다. 본 연구에서는 기존의 파우더 접착 기반의 3D 프린팅 공정에서 사용이 어려운 금속파우더를 이용한 공정연구를 수행하였다.
레진의 경화 공정을 반복적으로 실험하여 본 연구에서는 가장 최적이라고 여겨지는 경화 모델을 제시하였다. Fig.

제안 방법

본 논문에서는 기존의 파우더 접합 기반의 3D 프린팅 공정과 유사하지만, 파우더 간의 결합을 위해 사용되던 저 점성의 접착용액 대신에 광 경화성 수지를 사용하였으며, 프린팅 된 레진을 경화시킬 수 있는 UV (Ultra Violet) 경화 장치를 설치하여, 매 레이어마다 프린팅 된 레진을 UV 램프로 경화함으로써 프린팅과 동시에 경화 될 수 있도록 하였다. 또한, 이러한 공정 기법에서 사용되는 피에조 잉크젯 프린팅 헤드에 대한 입력 전압 조절에 따른 분사 드랍의 최적화를 통해 3D 형상을 제작하는 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 기존의 파우더 접합 기반의 3D 프린팅 공정과 유사하지만, 파우더 간의 결합을 위해 사용되던 저 점성의 접착용액 대신에 광 경화성 수지를 사용하였으며, 프린팅 된 레진을 경화시킬 수 있는 UV (Ultra Violet) 경화 장치를 설치하여, 매 레이어마다 프린팅 된 레진을 UV 램프로 경화함으로써 프린팅과 동시에 경화 될 수 있도록 하였다. 또한, 이러한 공정 기법에서 사용되는 피에조 잉크젯 프린팅 헤드에 대한 입력 전압 조절에 따른 분사 드랍의 최적화를 통해 3D 형상을 제작하는 연구를 수행하였다.
1은 상기와 같은 구성으로 구축된 피에조 기반의 3D 프린팅 시스템을 나타내며 Table 1은 구축된 프린팅 시스템의 3D 파트 제작을 위한 각 구동축의 정밀도 등의 시스템 사양 스펙을 나타낸다. 기본적으로 본 논문에서 제안된 기법의 구현을 위해 UV 경화 램프를 포함하여 UV 레진을 반복 분사 할 수 있는 피에조 프린팅 시스템을 통합 구축 하였다.
첫 번째 공정분석 실험에서는 Table 2와 같이 모든 변수를 최대값으로 설정하였다. 실험은 한 레이어의 반복 프린팅이 완료된 후 프린팅 된 레진의 경화를 위한 UV 램프의 이송 속도를 변화시켜가며 제작물의 층간 결합 상태를 확인하였다.
X축의 프린팅 해상도는 스테이지의 분해능에 의해 400 dpi로 제한되며, Y축은 엔코더 펄스에 의해 3000 dpi까지 가능하다. 그리고 한 레이어의 반복 프린팅이 완료된 후, UV 램프를 1회 조사하도록 하였다.
하지만, 전체적으로 초기 레이어에서부터 변형에 의해 롤러를 이용한 파우더 베드를 형성할 때 제작물의 밀림이 조금씩 발생하였다. 두 번째 실험에서는 램프의 이송속도를 0.02 m/s 으로 고정하고, 레이어 두께를 70, 100, 150 ㎛으로 가변시켜 실험 하였다. 그 결과 Table 4와 같이 70 ㎛일 경우 첫번째 레이어부터 롤러에 의해 조금씩 밀림이 발생하였으며, 레이어 두께가 증가하면 적층 횟수는 증가하지만, 변형은 여전히 발생하였다.
실험결과를 바탕으로 원활한 적층을 위하여 레이어 두께를 150 ㎛ 으로 설정하고, 충분한 레진 양을 위해 분사량이 최대인 상태에서 프린팅 해상도를 400×1600 dpi로 설정하였다.
변형이 일어나지 않으면서 충분한 결합강도를 가지는 최적의 분사량을 결정하기 위하여 1회 DoD(Drop on Demand) 방식의 프린팅 대신 반복적인 분사를 통해 많은 양의 레진을 프린팅 한 후, 결합상태를 확인해 보았다. Fig.
임의형상제작 실험에서는 앞선 연구에서 수행된 파우더 기반의 UV 경화 공정을 이용하여 쿨링팬 모델을 제작 하였다. 150 ㎛의 레이어 두께로 적층을 하여 총 141개의 레이어로 구성 되며, 해상도는 400×1600 dpi로 프린팅 하였다.

대상 데이터

피에조 잉크젯 프린터 헤드는 노즐 상부의 잉크 챔버(chamber)의 부분 또는 전체를 감싸고 있는 피에조 액추에이터의 변위에 따라 챔버 내의 압력 변화에 의해 마이크로 액적이 토출되는 원리이다. 본 논문에서 피에조 잉크젯 프린팅 유닛은 Dimati사의 Spectra SL-128 모델을 사용하였으며, 128개의 멀티 노즐을 개별 구동 할 수 있다. 피에조구동 잉크젯 시스템은 노즐의 액적 제어를 위한 공압 제어기와 프린팅을 위한 패턴 드라이버, 프린터헤드의 노즐 막힘 방지를 위한 클리닝 장치, 128개 노즐의 프린팅 상태 관찰을 위한 초고속 카메라, 잉크 공급 및 클리닝을 위한 펌프 및 진공 유닛 등으로 구성되는 복잡한 시스템이다.
실험에 사용된 파우더는 3D Systems사에서 판매되는 ST101 파우더를 사용하였다. ST101은 금속 입자에 폴리머로 코팅되어 있으며, SLS 공정용으로 개발된 재료이다.
실험조건은 최소 레이어 두께인 70 ㎛, 분사량은 최대인 90 pl, 프린팅 해상도는 400×1600 dpi로 설정하였다.
150 ㎛의 레이어 두께로 적층을 하여 총 141개의 레이어로 구성 되며, 해상도는 400×1600 dpi로 프린팅 하였다.

성능/효과

첫 번째 실험결과 Table 3와 같이 램프의 이송속도가 높을수록 변형은 덜 발생하였으나, 경화시간 부족으로 층간 결합력이 낮음을 알 수 있었다. 하지만, 전체적으로 초기 레이어에서부터 변형에 의해 롤러를 이용한 파우더 베드를 형성할 때 제작물의 밀림이 조금씩 발생하였다.
실험결과 Tables 3과 4에서 경화속도는 낮을수록 즉, 램프 조사 시간이 길수록 강한 강도를 가지며, 레이어의 두께는 높을수록 좋은 결과를 보였다. 그러므로 레진의 경화를 위해 램프의 이송속도를 느리게 가져가면서 레어어 두께는 일부 변형을 커버할 수 있는 150 ㎛ 이상의 두께에서 분사량을 제어하는 것이 바람직하다.
실험결과 최대 분사량을 가지고 해상도를 400×1600 dpi로 프린팅 했을 경우 150 ㎛의 메탈 파우더를 경화시키기 위해서는 한 레이어에 대해 3회 반복 프린팅을 해야만 층간 결합이 이루어짐을 확인하였다.
8에서 보듯이 최적화된 Piezo UV 레진 분사와 광경화 기반의 공정 최적화를 통한 임의형상 제작은 성공적으로 제작 되었으나 쿨링팬 모델의 특성상 얇은 두께를 가지는 부분에서는 제작 파트를 빌딩룸에서 분리해 내는 과정에서 약간의 손상을 입었다. 하지만 기존 3차원 프린팅 공정에 비해 사용자가 제작 파트를 손쉽게 꺼낼 수 있었고 손상도 훨씬 적은 특징을 볼 수 있었다.
기존의 파우더 접착 3D 프린팅 공정의 경우 후처리 공정 이전에는 아주 낮은 강도로 인해 많은 주의를 기울여야 하는 반면 본 공정에서는 UV 레진에 의한 강한 결합으로 사용자에게 보다 손쉬운 작업 환경을 제공해 주었다. 또한 기존 3D 프린팅 공정의 경우 금속 파우더를 이용하여 임의형상을 제작하는 방법은 불가능 하였으나, 본 논문에서 제시한 임의 파형을 이용한 piezo 잉크젯 분사 최적화 기술과 UV 경화를 이용한 최적 공정기법을 통해 그 가능성을 보일 수 있었다. 이는 레이저 등과 같은 고가의 장비를 사용하지 않고도 파우더 접착 방식의 3D 프린팅 공정에서 보다 다양한 소재에 대한 제작 방법을 제시하였다는 것에 큰 의미를 가지고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 프린팅 기법은 어디에 활용되고 있는가?	3D 프린팅 기법 최근 전 세계의 기업 및 연구소에서 시작품 제작용으로 널리 활용되고 있으며 CAD/CAM, 레이저, 프린팅, 재료, 제어기술 등이 복합된 첨단 가공 기술로서 기존의 절삭가공 방법과는 달리 3D CAD 데이터, CT 또는 MRI 스캔 데이터, 3차원 디지타이징 데이터로부터 얇은 두께로 절단해 단면형상을 얻은 후, 각 단면들을 한층씩 적층함으로써 원하는 형상을 제작하는 방식이다.1-4 따라서 복잡한 외관 또는 제품의 내관 형상까지도 손쉽게 자동으로 제작할 수 있어 자동차,항공부품, 기계부품, 전자제품 등의 제조업은 물론이며 신발, 귀금속, 의공학, 광학, 조형예술, 건축, GIS, 유물복원, 소규모 디자인 하우스, 교육 및연구기관 등 모든 산업분야에서 광범위하게 이용되고 있다.5
	3D 프린팅 기법은 어떠한 방식으로 형상을 제작하는가?	3D 프린팅 기법 최근 전 세계의 기업 및 연구소에서 시작품 제작용으로 널리 활용되고 있으며 CAD/CAM, 레이저, 프린팅, 재료, 제어기술 등이 복합된 첨단 가공 기술로서 기존의 절삭가공 방법과는 달리 3D CAD 데이터, CT 또는 MRI 스캔 데이터, 3차원 디지타이징 데이터로부터 얇은 두께로 절단해 단면형상을 얻은 후, 각 단면들을 한층씩 적층함으로써 원하는 형상을 제작하는 방식이다.1-4 따라서 복잡한 외관 또는 제품의 내관 형상까지도 손쉽게 자동으로 제작할 수 있어 자동차,항공부품, 기계부품, 전자제품 등의 제조업은 물론이며 신발, 귀금속, 의공학, 광학, 조형예술, 건축, GIS, 유물복원, 소규모 디자인 하우스, 교육 및연구기관 등 모든 산업분야에서 광범위하게 이용되고 있다.
	피에조 잉크젯 프린터 헤드의 토출 원리는 무엇인가?	피에조 잉크젯 프린터 헤드는 노즐 상부의 잉크 챔버(chamber)의 부분 또는 전체를 감싸고 있는 피에조 액추에이터의 변위에 따라 챔버 내의 압력 변화에 의해 마이크로 액적이 토출되는 원리이다. 본 논문에서 피에조 잉크젯 프린팅 유닛은 Dimati사의 Spectra SL-128 모델을 사용하였으며, 128개의 멀티 노즐을 개별 구동 할 수 있다.

참고문헌 (9)

Paul, F., "Rapid Prototyping and Manufacturing, Fundamentals of Stereolit Hography," SME, Vol. 8, pp. 135-141, 1992.
Johnson, J. L., "Principles of Computer Automated Fabrication," Palatino Press, 1994.
Bennett, G., "First National Conference on Rapid Prototyping and Tooling Research," Wiley, 1st Ed., 1995.
Ikawa, N., Kishinami, T., and Kimura, F., "Rapid Product Development: Proc. of the International Conference on Production Engineering," Springer, 1997.
Kochan, D., "Solid Freeform Manufacturing: Advanced Rapid Prototyping," Elsevier Science Inc., 1993.
Brunahl, J. and Grishin, A. M., "Piezoelectric Shear Mode Drop-on-Demand Inkjet Actuator," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 101, No. 3, pp. 371-382, 2002.

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Wilkes, E. D. and Basaran, O. A., "Drop Ejection from an Oscillation Rod," Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 242, No. 1, pp. 180-201, 2001.

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Chang, C. C., "Rapid Prototyping Fabricated by UV Resin Spray Nozzles," Rapid Prototyping Journal, Vol. 10, No. 2, pp. 136-145, 2004.

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Tanaka, T. and Isono, Y., "New Development of a Grinding Wheel with Resin Cured by Ultraviolet Light," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 113, No. 1, pp. 385-391, 2001.

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