AMM(Additive Metal Manufacturing)이라 호칭되는 3차원 금속 프린팅(metal 3-D printing) 공정은 금속분말(metal powder)을 적층 재료로 사용하여 기계적부품용 실형상 금속 파트(metallic parts)를 직접 조형하여 제조한다. 한편, 조형 파트형상의 STL모델에 존재하는 기하학적 오류들과 특징형상들의 특이성으로 인하여 조형 작업 중에 내부에 결함들이 포함된 실형상 파트가 조형될 가능성이 존재하게 되며 이로 인해 3차원 금속 프린팅 조형공정 자체의 신뢰성에 문제를 야기할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 조형작업 중 발생할 수 있는 결함들을 미리 진단, 분석하고 수정하기 위하여 첫째, 조형 전에 STL 형상모델의 진단분석을 통하여 결함요소를 사전에 탐지하고 둘째, 적층 단면내 조형 공구 경로상에 실제로 포함된 결함들을 분석하고 이를 수정하기 위한 조형 파트 진단 및 조형 공구 경로 검증 연구방법을 제시하였다. 또한 DED(direct energy deposition) 공정을 기준으로 2가지 STL 형상파트 사례들에 대하여 제시한 연구방법의 case study를 수행하였다.
AMM(Additive Metal Manufacturing)이라 호칭되는 3차원 금속 프린팅(metal 3-D printing) 공정은 금속분말(metal powder)을 적층 재료로 사용하여 기계적부품용 실형상 금속 파트(metallic parts)를 직접 조형하여 제조한다. 한편, 조형 파트형상의 STL모델에 존재하는 기하학적 오류들과 특징형상들의 특이성으로 인하여 조형 작업 중에 내부에 결함들이 포함된 실형상 파트가 조형될 가능성이 존재하게 되며 이로 인해 3차원 금속 프린팅 조형공정 자체의 신뢰성에 문제를 야기할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 조형작업 중 발생할 수 있는 결함들을 미리 진단, 분석하고 수정하기 위하여 첫째, 조형 전에 STL 형상모델의 진단분석을 통하여 결함요소를 사전에 탐지하고 둘째, 적층 단면내 조형 공구 경로상에 실제로 포함된 결함들을 분석하고 이를 수정하기 위한 조형 파트 진단 및 조형 공구 경로 검증 연구방법을 제시하였다. 또한 DED(direct energy deposition) 공정을 기준으로 2가지 STL 형상파트 사례들에 대하여 제시한 연구방법의 case study를 수행하였다.
Metal 3D printing, which is an additive metal manufacturing (AMM) process, enables the development of full-density metallic tools and parts using metal powders that are precisely delivered and controlled for deposition with no powder bed. However, some unknown geometric defects and irregular geometr...
Metal 3D printing, which is an additive metal manufacturing (AMM) process, enables the development of full-density metallic tools and parts using metal powders that are precisely delivered and controlled for deposition with no powder bed. However, some unknown geometric defects and irregular geometric features on an STL model can possibly result in incorrect metal part fabrication after the build. This study first proposes a methodical approach for verifying the build part, including the missing facet problems in an STL model, by defining some irregular features that possibly exist on the part. Second, 2D tool paths on each build layer were investigated for detecting any singular region inside the layer. The method was implemented for building two sample STL models using a direct energy deposition process, and finally, it was visually simulated for diagnosis.
Metal 3D printing, which is an additive metal manufacturing (AMM) process, enables the development of full-density metallic tools and parts using metal powders that are precisely delivered and controlled for deposition with no powder bed. However, some unknown geometric defects and irregular geometric features on an STL model can possibly result in incorrect metal part fabrication after the build. This study first proposes a methodical approach for verifying the build part, including the missing facet problems in an STL model, by defining some irregular features that possibly exist on the part. Second, 2D tool paths on each build layer were investigated for detecting any singular region inside the layer. The method was implemented for building two sample STL models using a direct energy deposition process, and finally, it was visually simulated for diagnosis.
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문제 정의
또한 본 논문에서는 DED(direct energy deposition)공정을 기준으로 2가지 STL 형상 파트 사례들에 대한 case study를 수행함으로써 연구방법을 검증하고자 하였다.
본 논문에서는 3차원 금속 프린팅 공정에서의 정확한 적층 조형 작업을 지원하기 위한 조형 파트 분석법과 조형 공정 검증법 알고리듬을 제안하고자 하였으며 이를 위하여 조형 형상파트분석법으로는 조형 파트의 형상정보를 분석하여 공정 정보 오류를 사전에 분석하는 방법을 제안하였고 2차원 조형 층상에서 조형 공정 검증법을 제시함과 동시에 이후 가시화를 통하여 생성된 공정 정보를 검증하는 방법을 제안하였다.
이를 위한 연구방법으로는 STL형상모델에 존재하는 기하학적 오류들과 특징형상들의 특이성으로 인하여 유발되는 2차원 공구 경로 상에서 조형 오류를 조형공정 이전에 미리 진단, 분석하였으며 또한 STL 형상의 2차원 층 단면화 후 적층 면내의 조형 공구 경로 상에서 이들 결함을 2차 분석하기 위한 조형파트진단 및 조형 공구 경로 검증 연구방법을 제시하였다. 본 연구방법에 대한 case study 로는 DED(direct energy deposition) 공정과 2가지 STL 형상모델들을 기준으로 개발 알고리듬을 적용하여 조형 형상파트에 존재하는 오류를 진단 및 검증하는 이론을 검증하고자 하였다.
본 장에서는 2차원 공구 경로 검증, 즉 3차원 파트 형상인 STL파일 내부에 존재할 수 있는 기하학적 오류들과 특징형상들, 특히 이 2차원 공구경로 상에서 어떠한 적층 오류를 유발하는지를 분석하고 이를 2차원 공구 경로 상에서 검증하기 위한 방법론을 기술하고자 한다.
오류를 검증하기 위해 본 논문에서 사용한 이론은 공정변수로 결정되는 beads 폭 50~500µ을 기준으로 2차원 공구 경로 상의 조형 해상도를 결정하고 이를 tool path의 경로변수와 비교하면서 오류를 검색하는 것이다.
이에 따라 본 논문의 연구에서는 3차원 STL형상모델에서 삼각형 데이터들의 구조적인 나열 위치와 방향을 분석하여 L-N 특징형상을 검출하고 이를 통해 조형 형상 파트의 오류를 진단하고자 한다. 이러한 L-N 특징형상을 형상을 포함하는 삼각형 데이터들을 검색하기 위해서는 Fig.
제안 방법
또한, 가시화 시뮬레이션 기법을 응용한 2차원 조형 공구 경로 검증법을 통해 검색된 오류와 그 수정사항도 시각적으로 재확인하여 오류 없는 정확한 조형이 이루어지도록 하였는데 이는 조형 파트를 2차원 층 단면화(slicing)를 통하여 생성된 조형 공구 경로 데이터를 기반으로 실 형상 이미지를 컴퓨터그래픽을 이용하여 가시화하여 제공함으로써 사용자로 하여금 공정 및 최종 파트에 발생한 오류를 관능평가로 검증하기 위함이다. 본 연구에서는 이를 위하여 가시화 시뮬레이션 기반의 조형 공구 경로 검증법을 이용하였다.
본 절에서는 Fig. 7에 도시된 예제 파트에 대하여 첫째, 두 가지 예제 STL 모델형상에 대하여 기하학적 오류 및 특징형상 유무 진단을 수행하고 둘째, 2차원 조형 층상에 다시 공구 경로 검증을 통해서 오류 포함 여부를 분석하였다. 참고로 본 논문에서 제시한 예제 형상들은 조형 적층 오류를 발생시킬 수 있는 3가지의 요건을 모두 포함하고 있으며 이에 각각의 분석 및 검증단계에서 오류가 검출되고 수정되었다.
셋째, STL 형상의 2차원 층 단면화 후 적층 면내의 조형 공구 경로 상에서 이들 특징형상들에 의한 공구경로 결함들을 분석하기 위한 조형 공구경로 검증 연구방법을 제시하였다.
9는 3차원STL 형상 모델에 대한 L-N 특징형상에 대한 분석 및 진단 결과를 수행한 예이다. 이는 2절에서 전술한 알고리듬을 바탕으로 3차원 STL 형상모델의 삼각형들의 위치와 방향을 분석하여 검출된 L-N 특징형상 부분에 해당하는 삼각형들을 원래 형상파트와 상이한 색상으로 display함으로써 검증 결과를 시각적으로 가시화하였다. 이와 같이 가시화된 L-N 특징형상들은 그다음 2차원 층 단면화 과정에서 별도로 분리하여 다시 조형공구경로를 기준으로 정밀 분석단계를 거친다.
이러한 L-N 특징형상을 형상을 포함하는 삼각형 데이터들을 검색하기 위해서는 Fig. 5에 도시한 것과 같이 첫째, STL형상모델(P)를 구성하는 임의의 기준 삼각형(To)에 대하여 허용 거리(ρ) 이내에 존재하는 다른 삼각형들을 검색하고 둘째, 기준 삼각형(To)과 검색된 삼각형들 간의 법선벡터 상대적 비교를 통하여 이들이 L-N 특징형상을 구성하는 삼각형 데이터들인지를 판별함으로써 특징 형상을 판별하는 방법을 사용하였다.
이를 위한 연구방법으로는 STL형상모델에 존재하는 기하학적 오류들과 특징형상들의 특이성으로 인하여 유발되는 2차원 공구 경로 상에서 조형 오류를 조형공정 이전에 미리 진단, 분석하였으며 또한 STL 형상의 2차원 층 단면화 후 적층 면내의 조형 공구 경로 상에서 이들 결함을 2차 분석하기 위한 조형파트진단 및 조형 공구 경로 검증 연구방법을 제시하였다. 본 연구방법에 대한 case study 로는 DED(direct energy deposition) 공정과 2가지 STL 형상모델들을 기준으로 개발 알고리듬을 적용하여 조형 형상파트에 존재하는 오류를 진단 및 검증하는 이론을 검증하고자 하였다.
이론/모형
또한, 가시화 시뮬레이션 기법을 응용한 2차원 조형 공구 경로 검증법을 통해 검색된 오류와 그 수정사항도 시각적으로 재확인하여 오류 없는 정확한 조형이 이루어지도록 하였는데 이는 조형 파트를 2차원 층 단면화(slicing)를 통하여 생성된 조형 공구 경로 데이터를 기반으로 실 형상 이미지를 컴퓨터그래픽을 이용하여 가시화하여 제공함으로써 사용자로 하여금 공정 및 최종 파트에 발생한 오류를 관능평가로 검증하기 위함이다. 본 연구에서는 이를 위하여 가시화 시뮬레이션 기반의 조형 공구 경로 검증법을 이용하였다.(12)
성능/효과
그림에서 보듯 쉽게 판별하기 어려운 조형적층 오류가 2차원 조형공구경로의 visual simulation 검증 결과로 보다 명확하게 파트 형상에 대한 조형 적층오류가 좁고 긴 파트 형상과 좁은 틈 형상으로 인해 발생함을 확인할 수 있다. 또한 좁고 긴 파트 형상에 의하여 단면상의 빈 공간이 형성되고 좁은 틈 형상에 의하여 파트상의 작은 구멍들이 크기가 작아지거나(a) 누락되어 생성(b)되는 것을 파악할 수 있다.
후속연구
본 연구에서 제안한 적층 조형을 위한 파트 분석법 및 공정 검증법을 통하여 조형 공정 전 처리 단계에서 발생하는 오류에 대한 정량적 진단과 시각화를 통한 관능적 판단을 지원함으로써 조형 공정과 실형상 파트에 대한 보다 높은 신뢰성을 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3차원 금속 프린팅 공정은 무엇인가
3차원 금속 프린팅(metal 3-D printing) 공정은 금속 분말(metal powder)을 적층 재료로 사용하여 조형 공정을 수행하여 디지털 CAD 모델로부터 빠르게 물리적 실형상 금속 파트를 생산해 낼 수 있는 기술이다.(1~3) 이러한 조형 공정을 통하여 생산된 금속 파트는 일반 금속 파트(wrought or cast material)에 비하여 물성과 기계적 강도가 매우 우수하며, 조형 공정의 특성상 생성할 수 있는 파트의 형상 자유도가 높다는 장점이 존재한다.
3차원 금속 프린팅 공정을 통하여 생산된 금속 파트의 장점은 무엇인가
3차원 금속 프린팅(metal 3-D printing) 공정은 금속 분말(metal powder)을 적층 재료로 사용하여 조형 공정을 수행하여 디지털 CAD 모델로부터 빠르게 물리적 실형상 금속 파트를 생산해 낼 수 있는 기술이다.(1~3) 이러한 조형 공정을 통하여 생산된 금속 파트는 일반 금속 파트(wrought or cast material)에 비하여 물성과 기계적 강도가 매우 우수하며, 조형 공정의 특성상 생성할 수 있는 파트의 형상 자유도가 높다는 장점이 존재한다. 이에 따라 3차원 금속 프린팅 공정을 통하여 생성된 금속 파트는 특수한 용도의 기계적 부품으로 사용하기에 매우 적합하다.
3차원 금속 프린팅 공정의 단점은 무엇인가
1에 도시하였다. 그러나 3차원 금속 프린팅 공정의 특성상 조형 파트의 형상정보를 담고 있는 STL모델에 존재하는 기하학적 오류들과 파트의 오버행(overhang/undercut), 그리고 형상 자체에 정의된 일부 길고 좁은 특징 형상들의 특이성(singularity)으로 인하여 조형을 위한 공구경로를 수정할 필요가 발생하며 그렇지 않을 경우 조형된 금속 파트 내부에 공동(cavity)이나 균열(crack)이 포함되거나 의도하지 않은 형상파트가 조형될 수 있다. 내부에 결함이나 특이형상들이 포함된 이와 같은 실형상 파트들의 조형 및 생산은 3차원 금속 프린팅 의 조형 파트는 물론 더 나아가 조형 공정 자체에 대한 신뢰성까지 손상될 수 있다.
참고문헌 (12)
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