[논문]다중써멀버블 잉크젯방식의 3D 프린팅 시스템 개발 및 성능평가

신문관; 배성우; 김정수

doi:10.7736/kspe.2015.32.9.787

[국내논문] 다중써멀버블 잉크젯방식의 3D 프린팅 시스템 개발 및 성능평가
Evaluation and Development of Multi Thermal Bubble Ink Jet 3D Printing System 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.9, 2015년, pp.787 - 792

신문관 ((주)에버다임) , 배성우 (한밭대학교 산학협력단) , 김정수 ((주)펨스 인쇄전자연구팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, 3D printing technology is a hot issue in various industrial fields. According to the user's application, it allows for the free form fabrication method to be utilized in a wide range. The powder based fusion technique is one of the 3D printing methods. When using this method it is possible to apply the various binder jetting techniques such as piezo, thermal bubble jet, dispenser and so on. In this paper, a multi thermal bubble ink jet was integrated for jetting of powder binding material and developing a power fused 3D printing system. For high quality 3D printing parts, it needs an analysis and evaluation of the behavior of the thermal bubble ink jet head. In the experiment, a correlation between jetting binder quantity and layer thickness of powder was investigated, and a 3D part model was fabricated, which was used by measuring the scale factor.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 써멀(thermal) 버블젯 방식의 멀티 노즐을 이용한 고속 3D 프린팅 시스템을 개발하고, 제작물의 치수 정밀도와 표면조도 평가를 위한 실험적 연구를 수행 하고자 한다.
본 논문에서는 파우더 접착 기반의 3D 프린터를 개발 하기 위해 써멀버블 잉크젯을 이용하여임의 형상 제작을 연구하였다. 써멀버블 잉크젯의 경우 파우더 접착을 위한 바인더의 분사가 용이하였으며 이를 활용하여 파우더 접착 기반의 3D 프린팅 시스템을 구축하고 그 특성 평가를 위해 스케일바의 임의 형상을 제작 평가 하였다.

제안 방법

본 논문에서는 써멀 버블젯 기반의 3D 프린터의 기구부 제작을 위해 Fig. 2와 같이 3차원 모델링 및 시뮬레이션을 통해 기계적인 간섭문제를 확인한 후, Fig. 3과 같이 기구부를 제작하였다. 써멀 버블젯 기반의 3D프린팅 시스템의 기구부는 5축(X,Y축, 파우더 공급축, 형상 빌드축, 파우더 평탄화롤 축)으로 구성되어 있으며, 시스템은 고속 프린팅을 위한 X,Y 스테이지와 파우더 공급을 위한 롤러부(roller part), 일정 두께로 적층하기 위하여 상,하로 움직이는 피딩룸(feeding room)과 빌딩룸으로 구성되어져 있다.
파우더 베드 형성을 위해 피딩룸의 파우더 한층에 대한 공급 레이어 두께는 외부로의 누설을고려하여 빌딩룸의 레이어 두께의 1.5배로 설정하였다. 그리고 롤러의 회전속도는 180 rpm으로 고정한 상태에서 롤러의 이송 속도를 가변시켜 실험한 결과 Fig.
고품질의 프린팅을 위해서는 기본적으로 스테이지의 등속주행과 각 카트리지간의 정렬이 중요하다. 각카트리지간의 정렬은 스티칭(stitching) 이라고도 하며, 상,하 카트리지간의 경계면을 정확히 일치시키기 위하여 카트리지당 2개의 노즐이 중첩 되도록 기구적으로 설계하였다.
6 3차원 프린팅에서 레이어 두께의 변화에 따라 분사량 또한 가변되어야 한다. 분사량 측정을 위해 제어입력으로는 버블젯 프린터헤드의 히터부에 가하는 펄스 신호(fire pulse length) 를 이용하였다. 측정결과 Fig.
3차원 구조물의 치수오차를 검증하기 위하여 레이어 두께와 접착 용액의 프린팅 양을 변화시켜가며 Fig. 9와 같이 스케일 바를 제작하였다. 실험 결과, X, Y축 의 치수 오차는 대부분 X,Y 스테이지의 위치 오차에 의해 발생됨을 확인하였으며 대략 100㎛ 이하의 오차를 가지고 있다.

대상 데이터

실험에 사용된 프린터헤드는 HP-DesktopⓇ용 45 series이며, 자세한 사양은 Table 1에 나타내었다. 카트리지 당 300개의 노즐을 가지고 있어 고속 프린팅이 가능하다.

성능/효과

5배로 설정하였다. 그리고 롤러의 회전속도는 180 rpm으로 고정한 상태에서 롤러의 이송 속도를 가변시켜 실험한 결과 Fig. 5와 같이 롤러의 이송속도가 0.25~0.3 ㎧ 일 때 최적의 파우더베드가 형성됨을 확인하였다. 6
9와 같이 스케일 바를 제작하였다. 실험 결과, X, Y축 의 치수 오차는 대부분 X,Y 스테이지의 위치 오차에 의해 발생됨을 확인하였으며 대략 100㎛ 이하의 오차를 가지고 있다. 하지만, Z축의 경우 1차적으로 Z축의 위치오차에 의한 영향도 받지만, 주로 레이어 두께와 접착 용액의 분사량 관계에 의해 발생되는 Z-growth 현상에 의한 오차가 지배적임을 확인하였다.
실험 결과, X, Y축 의 치수 오차는 대부분 X,Y 스테이지의 위치 오차에 의해 발생됨을 확인하였으며 대략 100㎛ 이하의 오차를 가지고 있다. 하지만, Z축의 경우 1차적으로 Z축의 위치오차에 의한 영향도 받지만, 주로 레이어 두께와 접착 용액의 분사량 관계에 의해 발생되는 Z-growth 현상에 의한 오차가 지배적임을 확인하였다. 7,8 Fig.
10(b)는 분사량을 일정 하게 두고, 레이어 두께를 가변시킬 때의 치수오차 변화에 대한 측정 결과이다. 실험결과 분사량을 일정하게 두고, 레이어 두께를 높이면 치수오 차는 감소되었으나 동시에 제품의 강도가 함께 낮아짐을 알 수 있었다. 그러므로 레이어간의 층결 합을 유지하기 위해서는 일정량 이상의 치수오차는 불가피하다.
표면 거칠기 측정의 기준으로는 중심선평균 거칠기 (Ra) 값을 사용하였다. 표면거칠기 측정결과 Ra는 8.3 ㎛, Rz(10점 평균 거칠기)는 43.7 ㎛, Rt(중심선을 기점으로 상위 최대값과 하위 최대값을 더한 결과)는 73.5 ㎛ 값을 얻었다.
써멀버블 잉크젯의 경우 파우더 접착을 위한 바인더의 분사가 용이하였으며 이를 활용하여 파우더 접착 기반의 3D 프린팅 시스템을 구축하고 그 특성 평가를 위해 스케일바의 임의 형상을 제작 평가 하였다. 실험 결과 써멀버블 잉크젯의 잉크 분사량에 따른 Z축오차가 임의 형상 단면의 X, Y축의 기구부 오차보다 크게 발생함을 알 수 있었다. 제작된 스케일바의 오차는 X, Y의 경우 약 100㎛ 이하의 오차를 가지나 Z축의 경우 최대 약 800 ㎛ 까지의 오차를 보임을 알 수 있다.

후속연구

실험 결과에서 바인더의 분사량을 조절 할 경우 치수 정확도를 높일 수는 있으나 이에 따른 레이어 간의 접착력 및 제작 형상물에 대한 기계적 강도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 향후에는 이러한 상관관계를 통해 보다 최적화된 적층 두께와 바인더 분사량에 대한 연구를 수행하여 최대 강도와 최소 치수오차에 대해 규명할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파우더 기반의 3D 프린팅 공정의 장점은 무엇인가?	파우더 기반의 3D 프린팅 공정은 컨셉 모델러로써 상업화에 성공한 대표적인 공정이며 기존의 기계가공과 비교해 볼 때 많은 장점을 가지고 있다. 1 형상에 관계없이 고속으로 파트를 제작할 수 있으며, 파우더 기반의 공정으로 다양한 파우더 재질을 활용할 수 있다. 그럼에도 불구하고 파우더 기반의3D 프린팅 기술은 치수 정밀도, 표면 거칠기, 잔류 응력 및 후처리 공정(post processing)에 의한 변형, 건조시간(drying time), 낮은 강도 등의 문제로 아직까지 작업자의 요구를 만족시키지 못하고 있다.
	파우더 기반의3D 프린팅 기술 문제의 주요 원인은 무엇인가?	그럼에도 불구하고 파우더 기반의3D 프린팅 기술은 치수 정밀도, 표면 거칠기, 잔류 응력 및 후처리 공정(post processing)에 의한 변형, 건조시간(drying time), 낮은 강도 등의 문제로 아직까지 작업자의 요구를 만족시키지 못하고 있다. 이러한 문제는매 레이어마다 반복적으로 이루어지는 파우더와 접착제(binder) 간의 낮은 결합력이 주요 원인중 하나이다.
	파우더 기반의3D 프린팅 기술의 문제는 무엇인가?	1 형상에 관계없이 고속으로 파트를 제작할 수 있으며, 파우더 기반의 공정으로 다양한 파우더 재질을 활용할 수 있다. 그럼에도 불구하고 파우더 기반의3D 프린팅 기술은 치수 정밀도, 표면 거칠기, 잔류 응력 및 후처리 공정(post processing)에 의한 변형, 건조시간(drying time), 낮은 강도 등의 문제로 아직까지 작업자의 요구를 만족시키지 못하고 있다. 이러한 문제는매 레이어마다 반복적으로 이루어지는 파우더와 접착제(binder) 간의 낮은 결합력이 주요 원인중 하나이다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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Charnnarong, J., "The Drying Shrinkage in Three- Dimensional Printing and Its Dependence on the Properties of the powder and the Binder," Ph.D. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 1996.

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