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문제 정의
- 본 논문에서는 3D 프린터로 제작한 조형물의 표면 거칠기를 저감하기 위해 광경화성 수지를 이용한 3D 프린팅 시스템을 개발하고, 조형물의 표면 거칠기에 영향을 미치는 패턴두께를 이용하여 표면 거칠기 저감에 대한 공정연구를 진행하였다. 광경화성 수지는 메움현상이 발생하게 되어 광조형물의 표면 거칠기를 감소할 수 있는 특성을 가지고 있다.
- 패턴두께가 두꺼워서 층과층 사이의 면적오차가 커져 거친 적층면 형성 때문에 회로 패턴의 소재가 스며드는 현상이 발생하여 패턴 형성이 불가하였다. 따라서 광조형물의 표면에 회로 패턴을 제작함으로써 표면 정밀도에 대한 확인을 하였다.
- 본 논문에서는 광경화성 수지를 이용한 3D 프린팅 시스템을 개발하고, 패턴두께를 이용하여 광 조형물의 표면 거칠기 저감에 대한 공정연구를 진행하였다. 패턴두께에 따른 공정조건을 확보하고, 최소패턴두께 65 ㎛에서 표면 거칠기 값 4.
제안 방법
- 6) 광경화성 3D 프린팅 시스템을 이용하여 패턴두께별 광조형물을 제작하였고, 표면 거칠기 비교분석을 통해 광조형물의 표면 거칠기를 저감을 확인하였다. 또한 광조형물의 표면 정밀도 확인을 위해 FDM방식의 조형물의 표면 거칠기 비교분석 및 적층면 회로 패턴제작을 통해 광조형물의 표면 정밀도를 확인하였다.
- 5는 UV 경화기 설계 및 제작사진이다. 소재가 토출될 때 다방향에서 UV 광원을 조사하여 일정한 패턴을 형성할 수 있도록 원형모양의 지지대로 설계하였다. 내부에는 UV 레이저를 노즐 끝에 집광시키기 위해 LED 8개를 입사각 45˚로 설계하였다.
- 소재가 토출될 때 다방향에서 UV 광원을 조사하여 일정한 패턴을 형성할 수 있도록 원형모양의 지지대로 설계하였다. 내부에는 UV 레이저를 노즐 끝에 집광시키기 위해 LED 8개를 입사각 45˚로 설계하였다. UV 광량을 제어하여 메니스커스를 유지하면서 조형물 제작 시, 층이 붕괴되지 않도록 한다.
- UV 광량을 제어하여 메니스커스를 유지하면서 조형물 제작 시, 층이 붕괴되지 않도록 한다. UV 광량은 365 ㎚파장을 방사하며, 제어 정밀도는 1 mW/㎠으로 최대 100 mW/㎠ 출력이 가능하게 설계하였다.
- 6은 전자식 공압펌프 구성도이다. 소재 토출의 ON/OFF를 제어하기 위해 솔레노이드 밸브를 구성하여 정압/차압 선택적 제어가 가능하며, 최종 출력공압 상태를 측정하기 위해 압력센서를 구비하였다. 그리고 레귤레이터, 에어필터를 구성함으로써 토출량을 정밀하게 제어할 수 있도록 제작하였다.
- 소재 토출의 ON/OFF를 제어하기 위해 솔레노이드 밸브를 구성하여 정압/차압 선택적 제어가 가능하며, 최종 출력공압 상태를 측정하기 위해 압력센서를 구비하였다. 그리고 레귤레이터, 에어필터를 구성함으로써 토출량을 정밀하게 제어할 수 있도록 제작하였다. 제어범위로는 -100 ~ 900 kPa이며, 토출량을 정밀하게 제어할 수 있도록 제어 분해능 0.
- 공정조건으로는 스테이지 속도(Stage velocity), 출력공압(Out pneumatic), UV광원 세기(UV laser power), 노즐 끝과 기판의 사이(Stand-off), 노즐 사이즈(Nozzle size)이다. 패턴두께를 결정하는 스테이지 속도, 출력공압을 변수로 선정하고 UV 광원 세기, 노즐 끝과 기판의 사이, 노즐 사이즈는 고정변수로 선정하여 패턴두께 측정 실험을 진행하였다. Table 1은 패턴두께 측정실험을 위한 공정조건 값이다.
- 패턴두께 실험을 통해 최소패턴두께에서 최대 패턴두께까지 구간의 공정조건을 확보하여 광조형물 제작 및 표면 거칠기 비교분석을 통해 패턴 두께에 따른 표면 거칠기 저감을 하였다. 그리고 광조형물의 표면 정밀도 확인을 위해 동일한 공정조건에서 FDM 방식으로 출력한 조형물의 표면 거칠기 측정 및 적층면의 회로 패턴제작실험을 진행하였다.
- 패턴두께 실험을 통해 최소패턴두께에서 최대 패턴두께까지 구간의 공정조건을 확보하여 광조형물 제작 및 표면 거칠기 비교분석을 통해 패턴 두께에 따른 표면 거칠기 저감을 하였다. 그리고 광조형물의 표면 정밀도 확인을 위해 동일한 공정조건에서 FDM 방식으로 출력한 조형물의 표면 거칠기 측정 및 적층면의 회로 패턴제작실험을 진행하였다.
- 광조형물 제작에는 패턴두께별 공정조건이 필요하여 패턴두께를 결정하는 스테이지 속도와 출력공압에 따른 패턴두께에 대한 실험을 진행하였다. Fig.
- 소재 토출량이 스테이지 속도에 비해 과다토출되거나 소재 토출량이 부족하게 되면 토출되는 소재가 완전히 소비되지 않고 노즐 끝 부분에 묻어 남아있게 된다. 노즐 끝 부분에 묻어있는 소재들이 UV경화기에 의해 경화가 되면서 노즐 내부까지 경화가 일어나고 노즐이 막히게 되면서 토출이 멈추는 현상을 확인 하였다. 따라서 토출량과 스테이지 속도가 적절한 균형을 이루어야 메니스커스의 유지가 되면서 일정한 패턴을 형성할 수 있다.
- 그리고 확보된 패턴두께별 공정조건에 따라 한 층의 두께 값을 얻기 위해 일련의 실험을 진행하였고, Table 2와 같은 광조형물 제작 공정조건을 확립하여 Fig. 10(a)와 같은 20 mm³의 정사면체 조형물을 제작하였다.
- 한 층의 두께는 한 층씩 적층할 때 상승하는 Z축 높이이며, 패턴두께보다 높아야 메니스커스 형상을 유지하며 적층할 수 있다. 일정한 패턴을 형성하는 공정조건 중 최소패턴두께 65㎛와 최대패턴두께 175 ㎛까지 약 40 ㎛씩 증가하는 구간의 공정조건을 확보하여 조형물을 제작하였다. 동일한 패턴두께일 경우, 조형물의 제작시간을 줄이기 위해 스테이지 속도가 빠른 공정조건을 우선순위로 하였다.
- 일정한 패턴을 형성하는 공정조건 중 최소패턴두께 65㎛와 최대패턴두께 175 ㎛까지 약 40 ㎛씩 증가하는 구간의 공정조건을 확보하여 조형물을 제작하였다. 동일한 패턴두께일 경우, 조형물의 제작시간을 줄이기 위해 스테이지 속도가 빠른 공정조건을 우선순위로 하였다. 그리고 확보된 패턴두께별 공정조건에 따라 한 층의 두께 값을 얻기 위해 일련의 실험을 진행하였고, Table 2와 같은 광조형물 제작 공정조건을 확립하여 Fig.
- 또한 광조형물의 표면 정밀도 확인을 위해 FDM방식으로 동일공정조건에서 조형물 제작하였다. 동일한 공정조건으로는 패턴두께에 영향을 미치는 스테이지 속도, 한 층의 두께, 노즐 사이즈, 노즐 끝과 기판의 거리를 선정하였다.
- 10(b)와 같은 조형물을 제작하였다. 광조형물의 패턴두께와 비교하기 위해 패턴두께 실험을 진행하였다. 그 결과, Table 2 와 Table 3의 최소패턴두께에서 광조형물의 패턴두께 65 ㎛, FDM방식으로 제작한 조형물의 패턴두께 220 ㎛로 광조형물의 패턴두께가 155㎛ 더 낮아 광조형물의 표면 정밀도를 예상할 수 있었다.
- 광조형물의 표면 거칠기 저감 및 표면 정밀도 확인을 위해 두 가지 방식의 프린터로 제작한 조형물들의 표면을 3차원 나노형상측정 시스템을 사용하여 측정을 하였고 Table 4와 같은 실험결과를 얻었다. Table 4은 두 가지 프린터 방식으로 출력한 조형물들의 표면 거칠기 측정 값이다.
- 광조형물의 표면 정밀도 확인을 위해 두 가지 프린터 방식으로 제작한 조형물의 적층면에 회로 패턴제작 실험을 진행하였다. Fig.
대상 데이터
- 노즐의 여러 가지 종류 중 ‘루어락 피팅(Luer lock fittings)’ 노즐로 선정하였고, Fig .4는 루어락 피팅 노즐 구성도이다.
- 3은 광경화성 수지를 이용한 3D 프린터 시스템 모식도이다. 구성요소로는 노즐(Nozzle), UV 경화기(UV laser), 전자식 공압펌프(Electronic pneumatic pump), X-Y-Z축 자동 스테이지(X-Y-Z Auto stage), 그 외에 그래픽 LCD 컨트롤러, IP 카메라로 구성되어 있다.
- 또한 광조형물의 표면 정밀도 확인을 위해 FDM방식으로 동일공정조건에서 조형물 제작하였다. 동일한 공정조건으로는 패턴두께에 영향을 미치는 스테이지 속도, 한 층의 두께, 노즐 사이즈, 노즐 끝과 기판의 거리를 선정하였다. Table 3은 FDM방식으로 조형물을 제작하기 위한 공정조건이며 Fig.
성능/효과
- 광경화성 수지는 메움현상이 발생하게 되어 광조형물의 표면 거칠기를 감소할 수 있는 특성을 가지고 있다.6) 광경화성 3D 프린팅 시스템을 이용하여 패턴두께별 광조형물을 제작하였고, 표면 거칠기 비교분석을 통해 광조형물의 표면 거칠기를 저감을 확인하였다. 또한 광조형물의 표면 정밀도 확인을 위해 FDM방식의 조형물의 표면 거칠기 비교분석 및 적층면 회로 패턴제작을 통해 광조형물의 표면 정밀도를 확인하였다.
- 위의 식 (3)에서 패턴두께가 전체 면적오차에 큰 영향을 미치는걸 알 수 있었다. 또한 패턴두께가 낮을수록 각 층과 층 사이에 생기는 면적오차가 작아지며 이에 따라 표면 거칠기를 저감할 수 있다는걸 확인하였다.8)
- 7은 스테이지 속도 40∼70 mm/s와 출력공압 20∼60 kPa에 따른 패턴두께에 대한 그래프이다. 동일한 스테이지 속도에서 출력공압이 높아질수록 소재의 토출량이 증가하여 패턴두께는 증가하는 현상을 알 수 있었다. 반면에, 동일한 출력 공압에서 스테이지 속도가 증가 할수록 패턴두께는 감소하는 현상을 볼 수 있었고 스테이지 속도가 증가하고 출력공압이 감소할수록 얇은 패턴두께를 얻을수 있었다.
- 동일한 스테이지 속도에서 출력공압이 높아질수록 소재의 토출량이 증가하여 패턴두께는 증가하는 현상을 알 수 있었다. 반면에, 동일한 출력 공압에서 스테이지 속도가 증가 할수록 패턴두께는 감소하는 현상을 볼 수 있었고 스테이지 속도가 증가하고 출력공압이 감소할수록 얇은 패턴두께를 얻을수 있었다. 그리고 일정한 패턴이 유지되지 않고 중간에 끊어지거나 물결 모양과 같은 패턴형상이 발생하였다.
- 패턴두께에 대한 실험을 통하여 소재 토출량과 스테이지 속도의 관계가 적절한 균형을 이루지 못하면 노즐의 메니스커스가 붕괴되어 일정한 패턴형성이 불가하다는걸 알 수 있었다. Fig.
- 광조형물의 패턴두께와 비교하기 위해 패턴두께 실험을 진행하였다. 그 결과, Table 2 와 Table 3의 최소패턴두께에서 광조형물의 패턴두께 65 ㎛, FDM방식으로 제작한 조형물의 패턴두께 220 ㎛로 광조형물의 패턴두께가 155㎛ 더 낮아 광조형물의 표면 정밀도를 예상할 수 있었다.
- Table 4은 두 가지 프린터 방식으로 출력한 조형물들의 표면 거칠기 측정 값이다. 광조형물의 최소패턴두께 65 ㎛에서 표면 거칠기 값 4.7 ㎛, 최대패턴두께 175 ㎛에서 표면 거칠기 값 8.7 ㎛로 패턴두께가 약 40 ㎛씩 감소하는 구간에서 표면 거칠기 값이 약 1.2 ㎛씩 저감하였다. 이는 패턴두께가 감소할수록 층과 층사이 단찬에 의해 생기는 면적오차가 작아지기 때문에 조형물의 표면 거칠기가 감소하기 때문이다.
- 11(a),(b)는 3차원 나노 형상 측정 시스템으로 조형물들의 적층면을 측정한 결과이다. 광조형물 적층면의 해상도가 FDM 방식으로 출력한 조형물에 비해 매끄러운 적층면을 보였다. 이는, 광조형물의 패턴두께가 FDM 방식으로 제작한 조형물의 패턴두께보다 얇아 면적오차가 작아지기 때문이다.
- 본 논문에서는 광경화성 수지를 이용한 3D 프린팅 시스템을 개발하고, 패턴두께를 이용하여 광 조형물의 표면 거칠기 저감에 대한 공정연구를 진행하였다. 패턴두께에 따른 공정조건을 확보하고, 최소패턴두께 65 ㎛에서 표면 거칠기 값 4.7㎛, 최대패턴두께 175 ㎛에서 표면 거칠기 값 8.7㎛로 패턴두께가 약 40 ㎛씩 감소하는 구간에서 표면 거칠기 값이 약 1.2 ㎛씩 저감하였다. 또한, 광조형물의 표면 정밀도 확인을 위해 FDM 방식으로 출력한 조형물과 표면 거칠기 비교측정을 통해 광조형물의 표면 거칠기가 5.
- 2 ㎛씩 저감하였다. 또한, 광조형물의 표면 정밀도 확인을 위해 FDM 방식으로 출력한 조형물과 표면 거칠기 비교측정을 통해 광조형물의 표면 거칠기가 5.5 ㎛만큼 저감된 수치를 나타내었고 광조형물의 적층면에 회로 패턴의 소재가 스며들지 않고 제작이 가능하였다. 따라서, 패턴두께가 낮아지면 면적오차가 작아져 광조형물의 표면 거칠기를 저감 할 수 있었고, 이에 따라 광조형물의 표면 정밀도가 향상되었다.
- 5 ㎛만큼 저감된 수치를 나타내었고 광조형물의 적층면에 회로 패턴의 소재가 스며들지 않고 제작이 가능하였다. 따라서, 패턴두께가 낮아지면 면적오차가 작아져 광조형물의 표면 거칠기를 저감 할 수 있었고, 이에 따라 광조형물의 표면 정밀도가 향상되었다.
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