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3차원 금속 프린팅 공정에서의 조형파트 진단 및 조형공구경로 검증
Verification of Build Part and Tool Paths for Metal 3-D Printing Process 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.41 no.2, 2017년, pp.103 - 109  

이규복 (홍익대학교 기계공학과) ,  지해성 (홍익대학교 기계, 시스템 디자인공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (12)

  1. Scott, J., Gupta, N., Weber, C., Newsome, S., Wohlers, T. and Caffrey, T., 2012, "Additive Manufacturing: Status and Opportunities," Science and Technology Policy Institute, pp. 1-5. 

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  3. ASTM-F42.91 Subcommittee, 2015, "Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies," ASTM Designation: F2792-12a, Vol. 10.04. 

  4. Samperi, M. T., 2014, "Development of Design Guidelines for Metal Additive Manufacturing and Process Selection," M.S. Dissertation, The Pennsylvania State Univ., U.S.A., pp. 1-37. 

  5. Lee, K. and Jee, H., 2015, "Slicing Algorithms for Multi-axis 3-D Metal Printing of Overhangs," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 29, No. 12, pp. 5139-5144. 

  6. Jee, H. and Suh, J., 2013, "Software Supports and E-manufacturing for DMT Process," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 27, No. 10, pp. 2947-2953. 

  7. Xu, F., Wong, Y. S., Loh, H. T., Fuh, J. Y. H. and Miyazawa, T., 1997, "Optimal Orientation with Variable Slicing in Stereolithography," Rapid Prototyping Journal, Vol. 3, No. 3, pp. 76-88. 

  8. Chae, H., 1999, "System Developement for STL Error Correction and Shape Modification," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 16, No. 3, pp. 53-61. 

  9. Choi, H. and Lee, S., 1996, "A Study on Error Verification of STL Format for Rapid Prototyping System," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 13, No. 10, pp. 46-55. 

  10. Son, Y., Park, J., Kim, S., Kim, J. and Jeon, E., 1998, "A Study on DB Construction for Error Modification of STL Format and Efficiency by Shape Restoration," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 15, No. 12, pp. 21-27. 

  11. Suryakumar,S., Karunakaran, K.P., Bernard, A., Chandrasekhar, U., Raghavender, N. and Sharmab, D., 2011, "Weld Bead Modeling and Process Optimization in Hybrid Layered Manufacturing," Computer-Aided Design, Vol. 43, pp. 331-344. 

  12. Jee, H. and Sachs, E., 2000, "A Visual Simulation Technique for 3D Printing," Advances in Engineering Software, Vol. 31, No. 2, pp. 97-106. 

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