[논문]지능형 연성 복합재 구동기 제작을 위한 3D 프린팅-캐스팅 복합 공정

김민수; 송성혁; 김형일; 안성훈

doi:10.7736/kspe.2016.33.1.77

지능형 연성 복합재 구동기 제작을 위한 3D 프린팅-캐스팅 복합 공정
Hybrid 3D Printing and Casting Manufacturing Process for Fabrication of Smart Soft Composite Actuators 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.1, 2016년, pp.77 - 83

김민수 (서울대학교 기계항공공학부) , 송성혁 (서울대학교 기계항공공학부) , 김형일 (서울대학교 기계항공공학부) , 안성훈 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Intricate deflection requires many conventional actuators (motors, pistons etc.), which can be financially and spatially wasteful. Novel smart soft composite (SSC) actuators have been suggested, but fabrication complexity restricts their widespread use as general-purpose actuators. In this study, a hybrid manufacturing process comprising 3-D printing and casting was developed for automated fabrication of SSC actuators with $200{\mu}m$ precision, using a 3-D printer (3DISON, ROKIT), a simple polymer mixer, and a compressor controller. A method to improve precision is suggested, and the design compensates for deposition and backlash errors (maximum, $170{\mu}m$). A suitable flow rate and tool path are suggested for the polymer casting process. The equipment and process costs proposed here are lower than those of existing 3D printers for a multi-material deposition system and the technique has $200{\mu}m$ precision, which is suitable for fabrication of SSC actuators.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SSC 구동기의 기존 제조 공정의 단점을 극복하기 위해서 3D 프린팅과 캐스팅 공정이 하나의 장비에서 구현되도록 복합 공정을 구성하고자 한다. 그리고 구성된 복합 공정의 치수 오차 발생 요인이 누적되어 제품의 정밀도가 저하되는 것을 방지하기 위해서 각공정의 오차 발생 요인을 분석하고 보상하는 방법을 제시한다. 최종적으로 개발된 공정과 보상 방법을 반영하여 제작한 구동기를 평가한다.
또한, 정확한 양의 폴리머를 캐스팅하여, 윗면의 편평도를 확보하고 방향성 구조체를 적층할 수 있도록 유연 폴리머 토출량을 제어하는 방법을 제시하고자 한다.
하지만 조립과 캐스팅 과정이 수작업으로 이루 어지기 때문에, 작업자의 숙련도에 따라 구동기의 성능이 크게 달라지고, 제작에 소요되는 시간이 길다는 단점이 있다. 본 연구에서는 SSC 구동기의 기존 제조 공정의 단점을 극복하기 위해서 3D 프린팅과 캐스팅 공정이 하나의 장비에서 구현되도록 복합 공정을 구성하고자 한다. 그리고 구성된 복합 공정의 치수 오차 발생 요인이 누적되어 제품의 정밀도가 저하되는 것을 방지하기 위해서 각공정의 오차 발생 요인을 분석하고 보상하는 방법을 제시한다.
70 mm × 20 mm × 3 mm의 직육면체의 구동기는 각축으로 200 µm 오차가 발생할 경우약 1%의 부피 오차가 발생하는데 이를 허용 공차로 정의한다. 이를 기준으로 치수 오차를 측정하고 보상하는 방법을 제시하려고 한다.

제안 방법

SSC 구동기 제작 방법을 자동화, 규격화 할 수 있는 3D프린팅-캐스팅 복합 공정을 제안하고 이를 구현하여 장비를 개발하였다. 또한 두 공정이 복합적으로 구성되면서 발생하는 오차 요인을 분석하고 정밀도를 확보하는 방법을 제안하였다.
SSC 구동기 제작을 자동화하고, 규격화하기 위해서 Fig. 3과 같이 3D 프린팅-캐스팅 복합 공정을 제안하였다. 3D 프린팅-캐스팅 복합공정이란 개별 공정인 3D 프린팅 공정과 캐스팅 공정을 복합적으로 구성한 공정이다.
공구 경로는 기존 CAM 프로그램에서 생성된 G code를 수정하여 사용하였다. Static mixer가 기계 원점에 올 수 있도록 새로운 원점을 부여하고, 금형을 적층하는 G code 중간에 유연 폴리머를 토출하는 코드와 경화되는 30분간 일시 정지되는 코드를 추가로 삽입하였다.
Static mixer와 주사바늘이 없는 상태에서 40, 80, 120, 160, 200, 400 kPa의 압력을 5초간 가하며 토출되는 재료의 질량을 측정하였고, 그 결과, 압력에 따른 각 재료의 단위시간 당 토출량은 Fig. 8과 같이 나타났다. 그 경향성을 2차 다항식으로 추정하여 R² 값이 99% 이상인 모델을 얻었고, 1:1 비율로 재료를 토출할 수 있는 압력조건을 찾았다.
공구 경로는 기존 CAM 프로그램에서 생성된 G code를 수정하여 사용하였다. Static mixer가 기계 원점에 올 수 있도록 새로운 원점을 부여하고, 금형을 적층하는 G code 중간에 유연 폴리머를 토출하는 코드와 경화되는 30분간 일시 정지되는 코드를 추가로 삽입하였다.
8과 같이 나타났다. 그 경향성을 2차 다항식으로 추정하여 R² 값이 99% 이상인 모델을 얻었고, 1:1 비율로 재료를 토출할 수 있는 압력조건을 찾았다. 실제 토출량은 Static mixer와 주사바늘에 의한 추가적인 압력 손실로 인해 이론적 토출량의 0.
시편의 높이는 20 mm이다. 두께에 의한 효과를 제외하기 위해서 적층이 한 겹으로 되도록 설계하였다. 공구 경로는 그림과 같이 한 방향으로만 작성되었다.
공기압으로 토출되는 두 재료는 점성이 크고 상이하여 압력손실 또한 크고 상이하다. 따라서 실험적인 방법으로 단위 시간당 같은 양을 토출할 수 있는 압력을 유도하였다.
9와 같이 토출 지점이 볼록하게 경화된다. 따라서 지그재그로 공구 경로를 작성하여 폴리머를 토출하였다. 지그재그로 토출하여 경화시킨 폴리머와 한 지점에서 일정하게 토출하여 경화시킨 폴리머를 비교한 결과, 곡률이 각각 0.
구동기 제작 공정이 자동화되어 제작 시간이 감축됨에 따라, 전통적 구동기 시장에 진입할 수 있는 바탕을 마련하였다. 또한 기존의 고가장비에서만 가능했었던 다종 재료의 적층 방식 제조기술을 저가로 구현하였다.
SSC 구동기 제작 방법을 자동화, 규격화 할 수 있는 3D프린팅-캐스팅 복합 공정을 제안하고 이를 구현하여 장비를 개발하였다. 또한 두 공정이 복합적으로 구성되면서 발생하는 오차 요인을 분석하고 정밀도를 확보하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법으로 200 µm 정밀도의 구동기를 제작하였고, 작동이 되는 것을 확인하였다.
이 외부 스위치를 3D 프린터 컨트롤 보드의 출력단자와 연결하여 공압을 제어한다. 또한 폴리머의 경화 시간을 단축하기 위해서 할로겐 램프를 설치하여 주변 온도를 50 ℃로 설정하여 30분만에 경화되도록 하였다.
이를 보상 하는 방법을 설계 변경으로 구현하였다. 반대경로가 발생하지 않도록 공구경로를 작성하였고, 반대 경로가 생성되는 것을 피할 수 없을 경우, Backlash 에 의한 오차를 미리 예측하고 이를 보상하는 설계를 하였다. X 축의 경우 75 µm를, Y 축의 경우 140 µm를 더 크게 설계하였다.
최근 3D 프린터를 이용하여 탄성중합체를 제작하는 기술을 개발하고 있으나, 고가의 장비와 재료는 일반 사용자의 진입장벽으로 작용한다. 본 공정은 부분적인 캐스팅을 3D 프린터에 도입하여 탄성중합체 제작 기술을 새로운 재료를 개발하여 판매 중인 장비보다 저렴한 가격으로 구현하였다.
여기에 캐스팅 공정을 추가하기 위해서 3D 프린터 헤드에 유연 폴리머를 토출하는 장치를 부착하였다. 유연 폴리머는 MOLDSTAR30(Smooth-on Inc.
공구 경로는 그림과 같이 한 방향으로만 작성되었다. 위치 정밀도 시편은 이송부의 Backlash를 제외하기 위해서 공구가 한 방향으로만 움직이도록 설계되었고, 반전 오차를 측정하는 시편은 노즐이 양방향으로 움직이도록 설계되었다. (c)는 Z축 방향 위치 정밀도를 측정하기 위한 시편의 X-Z 평면으로의 단면도이다.
하지만, 반전오차의 경우 X축은 최대로 100 µm, Y 축은 최대로 190 µm까지 발생하였다. 이를 보상 하는 방법을 설계 변경으로 구현하였다. 반대경로가 발생하지 않도록 공구경로를 작성하였고, 반대 경로가 생성되는 것을 피할 수 없을 경우, Backlash 에 의한 오차를 미리 예측하고 이를 보상하는 설계를 하였다.
제안된 방법으로 200 µm 정밀도의 구동기를 제작하였고, 작동이 되는 것을 확인하였다.
4 mm였다. 제조 시간은 약 50분으로 기존의 수작업 제조 시간인 약 10 시간을 약 8.3% 수준으로 단축시켰다. 또한 공정 자동화로 제작된 구동기가 수작업으로 제작된 구동기와 유사한 형태로 구동된다는 것을 확인하였다.
그리고 구성된 복합 공정의 치수 오차 발생 요인이 누적되어 제품의 정밀도가 저하되는 것을 방지하기 위해서 각공정의 오차 발생 요인을 분석하고 보상하는 방법을 제시한다. 최종적으로 개발된 공정과 보상 방법을 반영하여 제작한 구동기를 평가한다.

대상 데이터

Fig. 6과 같은 실험 환경을 구성하여 레이저 변위 센서(LK-G150, KEYENCE)로 제작된 시편을 측정하였다. 센서의 측정 범위는 150±40 mm이며, 반복성은 0.
장비 구성에 사용된 3D 프린터는 FDM 방식을 적용한 3DISON(ROKIT社)으로 225 mm(가로) × 145 mm(세로) × 150 mm(높이) 크기의 형상을 제작할 수 있다. PLA(Polylactic Acid)를 주재료로 금형과 방향성 구조체를 제작하였다.
(a)는 X, Y축의 위치 정밀도를 평가하는 시편의 X-Y 평면으로의 단면도이고, (b)는 X, Y축의 반전 오차를 측정하는 시편의 X-Y 평면으로의 단면도이다. 시편의 높이는 20 mm이다. 두께에 의한 효과를 제외하기 위해서 적층이 한 겹으로 되도록 설계하였다.
여기에 캐스팅 공정을 추가하기 위해서 3D 프린터 헤드에 유연 폴리머를 토출하는 장치를 부착하였다. 유연 폴리머는 MOLDSTAR30(Smooth-on Inc.)을 사용하였다. MOLDSTAR30의 재료 특성은 Table 1과 같다.

성능/효과

구동기의 정밀도를 측정한 결과 20±0.05mm(폭) × 70±0.05 mm(길이) × 3±0.17 mm(두께)로 목표했던 200 µm 정밀도를 확보하였다.
3% 수준으로 단축시켰다. 또한 공정 자동화로 제작된 구동기가 수작업으로 제작된 구동기와 유사한 형태로 구동된다는 것을 확인하였다.
그 경향성을 2차 다항식으로 추정하여 R² 값이 99% 이상인 모델을 얻었고, 1:1 비율로 재료를 토출할 수 있는 압력조건을 찾았다. 실제 토출량은 Static mixer와 주사바늘에 의한 추가적인 압력 손실로 인해 이론적 토출량의 0.036배로 감소하였고, 이를 기준으로 유연 재료 토출량을 제어하였다.
따라서 지그재그로 공구 경로를 작성하여 폴리머를 토출하였다. 지그재그로 토출하여 경화시킨 폴리머와 한 지점에서 일정하게 토출하여 경화시킨 폴리머를 비교한 결과, 곡률이 각각 0.019, 0.046로 약 2.5배의 차이가 발생했다.

후속연구

앞으로 본 공정으로 제작되는 구동기의 신뢰성을 평가하고 증가시켜야 하는 과제가 남아 있으며, 최종적으로 3D프린팅 공정의 장점을 살려 구동기가 포함된 로봇을 한번에 제작할 수 있도록 하는 CAD/CAM관련 연구가 수행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지능형 연성 복합재 구동기란 무엇인가?	이에 Fig. 1과 같이 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)을 방향성이 있는 복합재에 적용하여 복잡한 형상을 구현할 수 있는 구동기가 제안되고,1-6 이를 의료 기구나 생체 모사 로봇과 같이 복잡한 구동을 구현하는데 사용하고 있다.7 이 구동기를 지능형 연성 복합재(Smart Soft Composite, SSC) 구동기라고 하는데 Fig.
	전통적으로 사용되는 모터나 피스톤 기반의 구동기의 한계는 무엇인가?	전통적으로 사용되는 모터나 피스톤 기반의 구동기는 자유도가 높은 운동을 구현하기 위해서 많은 수의 구동기를 사용해야 한다는 한계가 있다. 이에 Fig.
	지능형 연성 복합재는 어떻게 제작되는가?	2와 같이 제작된다. 우선 3D 프린팅(3D Printing) 공정으로 금형과 방향성 구조체(Scaffold)를 제작한다. 제작된 금형에 형상기억합금을 방향성 구조체를 사이에 두고 상단과 하단에 위치시킨다. 방향성 구조체의 틀어진 각도에 따라 구동기의 구동 모드가 결정되는데, 원하는 구동 모드에 따라 구조체를 순서대로 쌓아 올린다. 그리고 PDMS(Polydimethylsiloxane)와 같은 유연 폴리머를 캐스팅한다. 이 제조 공정은 Fused Deposition Modeling(FDM) 방식의 3D 프린팅 공정의 고유한 특징을 이용하여 메소 스케일의 방향성 구조체를 제작한다는 장점이 있다.

참고문헌 (11)

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Wu, R., Han, M.-W., Lee, G.-Y., and Ahn, S.-H., "Woven Type Smart Soft Composite Beam with in- Plane Shape Retention," Smart Materials and Structures, Vol. 22, No. 12, Paper No. 125007, 2013.
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Wang, W., Rodrigue, H., and Ahn, S.-H., "Smart Soft Composite Actuator with Shape Retention Capability Using Embedded Fusible Alloy Structures," Composites Part B: Engineering, Vol. 78, pp. 507-514, 2015.

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Rodrigue, H., Wang, W., Bhandari, B., Han, M.-W., and Ahn, S.-H., "SMA-Based Smart Soft Composite Structure Capable of Multiple Modes of Actuation," Composites Part B: Engineering, Vol. 82, pp. 152-158, 2015.

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Rodrigue, H., Bhandari, B., Han, M.-W., and Ahn, S.- H., "A Shape Memory Alloy-Based Soft Morphing Actuator Capable Of Pure Twisting Motion," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 26, No. 9, pp. 1071-1078, 2015.

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Cho, K.-J., Koh, J.-S., Kim, S., Chu, W.-S., Hong, Y., et al., "Review of Manufacturing Processes for Soft Biomimetic Robots," Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 10, No. 3, pp. 171-181, 2009.

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Kim, H.-J., Song, S.-H., and Ahn, S.-H., "A Turtle- Like Swimming Robot Using a Smart Soft Composite (SSC) Structure," Smart Materials and Structures, Vol. 22, No. 1, Paper No. 014007, 2013.
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ROKIT, "3DISION+," http://www.3disonprinter.com/product-plus.php (Accessed 7 December 2015)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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