[논문]다중재료 DLP 3차원 프린터의 개발

박세원; 정민우; 손용운; 강태영; 이치범

doi:10.7735/ksmte.2017.26.1.100

다중재료 DLP 3차원 프린터의 개발
Development of Multi-Material DLP 3D Printer 원문보기

한국생산제조학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.26 no.1, 2017년, pp.100 - 107

박세원 (Mechanical System and Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 정민우 (Mechanical System and Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 손용운 (Mechanical System and Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 강태영 (Mechanical System and Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 이치범 (Mechanical System and Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

3D printing is a technology that converts a computer-generated 3D model into a real object with additive manufacturing technology. A majority of 3D printing technologies uses one material, and this is considered a limitation. In this study, we developed a multi-material 3D printer by adopting dual resin vat and cleaning system with DLP (Digital Light Processing) 3D printing technology. The developed multi-material DLP 3D printer is composed of a manufacturing system, cleaning system, transporting system, and automatic resin recharging system. Various 3D structures were 3D printed with two materials, thus demonstrating the potential. Printing performance of the multi-material DLP 3D printer was studied by performing a comparative surface roughness test and tension test on specimens composed of one material as well as those composed of two materials.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 두 가지 재료를 사용한 3차원 프린터 출력방법의 개발을 수행함으로써 기존에 갖고 있는 ‘제작가능 제품의 한계’를 극복하기 위해 진행되었다^[1]. 두 가지 재료를 사용하는 다중재료 광조형 3차원 프리터(multi-material DLP 3D printer; MMDLP 3D printer)의 개발을 통하여 다양한 산업분야에 3차원 프린터의 활용범위 확대 방법을 제시하는 것이 본 연구의 목표이다.
본 연구개발기기의 성능 측정의 목적으로 출력 실험을 진행하였다. 출력 실험은 한 가지 및 두 가지 재료를 이용하였으며, Fig.
본 연구는 두 가지 재료를 사용한 3차원 프린터 출력방법의 개발을 수행함으로써 기존에 갖고 있는 ‘제작가능 제품의 한계’를 극복하기 위해 진행되었다[1].
본 연구에서는 다물질 3차원 프린팅 구현을 위한 기구를 개발하였고 출력성능의 검증과 향상을 위한 연구를 진행하였다. 전사조형 3차원 프린팅이라는 정밀도가 높으면서도 간단한 가공방법을 발전 시켜 다물질 3차원 프린팅을 구현하였다.
본 연구에서는 두 가지 재료를 사용하는 출력물 제작에서 발생할 수 있는 문제점을 고려한 3차원 프린터의 개발을 직접 수행하고, 해당 기기를 이용해 제작된 출력물의 품질 측정결과에 대해서 논의한다. 2장에서는 3차원 프린터 개발과정에서는 출력과정 중 발생될 문제점인 재료 간 오염 방지 방법을 고려한 기구설계, 직접 개발한 S/W를 이용한 동작 구현에 대해 설명할 것이고, 3장에서는 KS 규격을 따른 인장시편을 출력한 후 표면거칠기 측정 및 인장실험을 통해 성능 측정을 수행하였다
출력 순서를 생성할 때 2가지 재료를 이용한 복합출력 및 기존 3차원 프린터 작동 방식인 단재료를 이용한 단일형상 출력이 가능 하도록 하였다. 뿐만 아니라, 단면화 이미지 노광시간을 직접 설정할 수 있기 때문에, 재료에 따라 적절한 노광시간 값을 부여할 수있도록 하였다. 한편, 재료의 교환이 단면 내에서 이루어지는지, 단면 사이에서 이루어지는지를 설정하게끔 하였는데, 이를 통해서 단면의 적층 방향에 구애받지 않도록 하였다.
액체 재료를 사용하는 다중재료 DLP 3차원 프린터 특징상 재료 낭비를 방지하기 위한 방안을 고려하였다. 하나의 단면을 출력함에 있어서, 수조에는 최소한의 재료가 담겨 있도록 하였다.

가설 설정

우선 ‘높이 h의 출력물을 제작할 때 사용된 재료의 총량은 조형판 면적×h×1.15로 가정하였다.

제안 방법

3장에서는 본 연구에서 개발한 다중재료 DLP 3차원 프린터를 이용하여, 단재료 출력물과 다중재료 출력물의 성능 비교 실험을 수행 한다. 3차원 프린터의 성능은 출력물의 품질에 따라 평가되기 때문에 2가지의 서로 다른 재료를 이용하여 KS M 527-5A 규격에 따라 단재료 및 다중재료 시편을 출력하였다.
2처럼, 본 연구에서 개발한 다중재료 DLP 3차원 프린터는 프로젝터를 하단에 두어 이미지를 밑에서 위로 투영하는 규제액면방식(constraint surface method)으로 작동한다. 그리고 프로젝터에 마이크로 스테이지를 부착하여 프로젝터의 위치 및 이미지 초점을 정밀하게 조절할 수있도록 하였다. 본 개발기기의 치수는 가로×세로×높이가 각 786× 416×350 mm이며, 본 3차원 프린터를 이용해 출력되는 제품의 최대 사이즈, 즉 제작 크기는 각각 144×81×200 mm이며, 두께의 최소 단위는 0.
전사조형 3차원 프린팅이라는 정밀도가 높으면서도 간단한 가공방법을 발전 시켜 다물질 3차원 프린팅을 구현하였다. 다물질 3차원 프린팅을 구현하는 데에 작용하는 제약들을 해결하면서도 좋은 출력품질을 유지하기 위해 기구를 조형부, 세척부, 이송부, 충전부, 제어부로 나누어 개발하였으며 기기를 통해 출력한 다중재료 출력물과 단재료 출력물의 성능 비교 실험을 진행하였다. 다중재료 3차원 프린팅의 실용성 제고를 위해서는 정밀한 세척방법을 통한 재료 간 교환부위에서의 접합 성능 향상이 개발단계 이후의 과제이다.
다중재료 출력물의 경우, 광학현미경과 표면거칠기 측정기기를 이용해 표면정밀도 및 표면거칠기를 측정하였으며, 동일한 방법으로 단재료 출력물과 비교함으로써 단재료 및 다중재료 출력 실험의 성능 비교를 수행하였다. 출력에 사용된 재료는 Maker juice사의 G+(v4)-green, blue 2가지를 사용하였는데, 인장시험에서는 그 성능의 비교를 위해 G+green와 G+blue를 사용하여 단재료 및 다중 재료 시편을 제작하여 인장실험을 통해 비교하였다.
네 개의 볼트 및 너트를 이용해 사용자는 자신의 작업환경에 맞춰 조형판의 수평도를 쉽게 조절할 수 있다. 또한 볼 스크류(ball screw)에 부착된 브래킷 (bracket)과 조형 판은 쉽게 탈착할 수 있도록 하여, 출력이 완료된 출력물을 조형판 에서 쉽게 떼어낼 수 있도록 설계하였다.
사용자가 쉽게 필름을 교환할 수 있도록 탈부착이 쉽도록 설계하였다. 또한 재료 수조의 경계부분에 실리콘 패드를 부착시켜 액체수지가 새지 않도록 하였다.
그렇기 때문에 본 기기에는 각 재료를 이용한 제작 횟수를 기반으로 자동으로 재료를 공급할 수 있는 시스템이 필요하다. 본 구성요소의 개발은 핀치 밸브(pinch valve)와 릴레이 스위치(relay switch)를 이용하여 자동으로 재료를 공급함으로써 재료를 효율적으로 사용하도록 하였다.
접합부 표면거칠기 실험은 TESA 社의 RUGOSURF 90G를 이용하였다. 본 실험은 정교한 표면 측정도구를 이용해, 0.002 mm 단위로 총 8 mm 길이의 표면거칠기를 측정하였다. Fig.
본 장에서는 단재료 출력물과 다중재료 출력물의 성능 비교 실험을 진행하였다. 광경화성 액체수지를 재료로 사용한 3차원 프린팅에 있어서, 출력물의 적층가공이 어느 방향으로 이루어지느냐에 따라서도 그 성능 실험의 결과가 달라질 수 있다 ^[8].
본 프로그램을 이용하여 이송판을 초기 위치로 이동시킨 후, 프로젝터 제어기의 동작 이후 사용자의 설정에 따라서 단재료 및 다중재료 출력 순서를 생성한 후, 기구를 작동시키면 출력이 진행된다. 출력 순서를 생성할 때 2가지 재료를 이용한 복합출력 및 기존 3차원 프린터 작동 방식인 단재료를 이용한 단일형상 출력이 가능 하도록 하였다.
하지만 FEP 필름은 빛에 오래 노출되면 손상되기 쉬운 특성을 가지고 있다. 사용자가 쉽게 필름을 교환할 수 있도록 탈부착이 쉽도록 설계하였다. 또한 재료 수조의 경계부분에 실리콘 패드를 부착시켜 액체수지가 새지 않도록 하였다.
수지의 높이 제어는 단면 1개 생성 시 소요되는 재료의 양과 핀치밸브로부터 나오는 재료의 공급속도를 이용하여 구성하였다. 우선 ‘높이 h의 출력물을 제작할 때 사용된 재료의 총량은 조형판 면적×h×1.
274 mm³ /sec으로 1초 공급 시, 단면 4개를 제작할 수 있는 양 만큼의 재료가 공급된다. 이 결과들을 이용하여 4번의 출력이 진행된 후에는 릴레이 스위치를 이용하여 자동으로 재료들을 공급할 수 있도록 하였다. 충전부의 모습은 Fig.
본 연구에서는 다물질 3차원 프린팅 구현을 위한 기구를 개발하였고 출력성능의 검증과 향상을 위한 연구를 진행하였다. 전사조형 3차원 프린팅이라는 정밀도가 높으면서도 간단한 가공방법을 발전 시켜 다물질 3차원 프린팅을 구현하였다. 다물질 3차원 프린팅을 구현하는 데에 작용하는 제약들을 해결하면서도 좋은 출력품질을 유지하기 위해 기구를 조형부, 세척부, 이송부, 충전부, 제어부로 나누어 개발하였으며 기기를 통해 출력한 다중재료 출력물과 단재료 출력물의 성능 비교 실험을 진행하였다.
본 프로그램을 이용하여 이송판을 초기 위치로 이동시킨 후, 프로젝터 제어기의 동작 이후 사용자의 설정에 따라서 단재료 및 다중재료 출력 순서를 생성한 후, 기구를 작동시키면 출력이 진행된다. 출력 순서를 생성할 때 2가지 재료를 이용한 복합출력 및 기존 3차원 프린터 작동 방식인 단재료를 이용한 단일형상 출력이 가능 하도록 하였다. 뿐만 아니라, 단면화 이미지 노광시간을 직접 설정할 수 있기 때문에, 재료에 따라 적절한 노광시간 값을 부여할 수있도록 하였다.
특히, 물성, 색이 서로 다른두 액체 재료를 사용하는 본 개발기기는 재료 간의 오염을 방지하고 높은 출력물 품질 확보를 위해서는 잔여물의 세척이 필수적이다. 출력물의 완벽한 오염방지를 목적으로 Fig. 4와 같은, 세척시스템(cleaning system)을 구축하였다.
다중재료 출력물의 경우, 광학현미경과 표면거칠기 측정기기를 이용해 표면정밀도 및 표면거칠기를 측정하였으며, 동일한 방법으로 단재료 출력물과 비교함으로써 단재료 및 다중재료 출력 실험의 성능 비교를 수행하였다. 출력에 사용된 재료는 Maker juice사의 G+(v4)-green, blue 2가지를 사용하였는데, 인장시험에서는 그 성능의 비교를 위해 G+green와 G+blue를 사용하여 단재료 및 다중 재료 시편을 제작하여 인장실험을 통해 비교하였다. 모두 동일한 수평 방향으로 출력하였으며, 1 단면 당 두께는 56 μm이며 경화 시간은 색상에 관계없이 1 단면 당 2초로 하였다.
뿐만 아니라, 단면화 이미지 노광시간을 직접 설정할 수 있기 때문에, 재료에 따라 적절한 노광시간 값을 부여할 수있도록 하였다. 한편, 재료의 교환이 단면 내에서 이루어지는지, 단면 사이에서 이루어지는지를 설정하게끔 하였는데, 이를 통해서 단면의 적층 방향에 구애받지 않도록 하였다. 동작 순서는 ‘재료 A의 단면 경화 - 초음파 세척 동작 - 송풍기 작동 - 스펀지를 이용한 닦아내기(swiping) - 재료 B의 단면경화’ 순서를 하나의 단면 출력 단위로 하여 실행된다.

대상 데이터

05 mm이다. 본 개발기기는 크게 조형부, 세척부, 이송부 그리고 충전부로 구성된다.
본 개발기기의 치수는 가로×세로×높이가 각 786× 416×350 mm이며, 본 3차원 프린터를 이용해 출력되는 제품의 최대 사이즈, 즉 제작 크기는 각각 144×81×200 mm이며, 두께의 최소 단위는 0.05 mm이다.
접합부 표면거칠기 실험은 TESA 社의 RUGOSURF 90G를 이용하였다. 본 실험은 정교한 표면 측정도구를 이용해, 0.
본 연구개발기기의 성능 측정의 목적으로 출력 실험을 진행하였다. 출력 실험은 한 가지 및 두 가지 재료를 이용하였으며, Fig. 10과 같이 단재료 및 다중재료를 사용하여 다양한 출력물들을 생산하였다.

이론/모형

3장에서는 본 연구에서 개발한 다중재료 DLP 3차원 프린터를 이용하여, 단재료 출력물과 다중재료 출력물의 성능 비교 실험을 수행 한다. 3차원 프린터의 성능은 출력물의 품질에 따라 평가되기 때문에 2가지의 서로 다른 재료를 이용하여 KS M 527-5A 규격에 따라 단재료 및 다중재료 시편을 출력하였다. Fig.
이 방법들을 반복함으로써 두 가지 재료를 사용한 출력물 제작이 이루어진다. Fig. 2처럼, 본 연구에서 개발한 다중재료 DLP 3차원 프린터는 프로젝터를 하단에 두어 이미지를 밑에서 위로 투영하는 규제액면방식(constraint surface method)으로 작동한다. 그리고 프로젝터에 마이크로 스테이지를 부착하여 프로젝터의 위치 및 이미지 초점을 정밀하게 조절할 수있도록 하였다.

성능/효과

1) 재료 간 오염 및 낭비 다중재료 3차원 프린터는 재료를 교체하는 과정이 존재하는데, 이 과정에서 재료 간 오염이 발생될수 있다. 재료 간 오염은 출력 제품의 품질저하뿐만 아니라 남은 재료의 재활용을 불가능하게 만드는 요인이다.
2) 접합성 기존 3차원 프린터 원리인 적층방식은 다중재료 3차원 프린터에서도 적용되는 방식이다. 서로 다른 물성을 보유하고 있는 액체 상태의 재료를 적층함과 동시에 안정적으로 접합시키는 것은 다중재료 3차원 프린터에서 중요하게 고려되어야할 사항이다.
단면이미지는 재료에 따라서 각각 생성되어야 하며, 생성된 단면 이미지들을 순차적으로 투사함으로써 출력이 진행된다. 2.1절에서 언급한 바와 같이, 출력 재료가 교체될 때마다 세척 동작을 수행하여 재료 간 오염을 방지한다. 이 방법들을 반복함으로써 두 가지 재료를 사용한 출력물 제작이 이루어진다.
3D 모델링 프로그램을 이용하여 조형판의 면적을 측정하고, 이를 이용하여 조형판 면적의 1.15배를 계산한 결과, 10,346.6×1.15=11,898.59 mm2 였다.
G+green과 G+blue만을 이용하여 출력한 단재료 시편의 표면에 비해, 다중재료 출력시편은 경계부분에서 1 단면의 두께인 56 μm보다 더 큰단차를 보였다.
15는 단재료를 이용한 시편 출력물과 다중재료 시편 출력물의 인장실험 결과를 비교한 결과, 표면에서의 접합 성질은 시편의 최대 인장응력에 영향을 주었음을 알 수 있었다. 단물질 시편의 최대 인장하중 각각 155 N(blue), 171 N(green)에 비하여, 다중재료 시편의 최대 인장하중은 80 N으로 단재료 시편의 50~60% 정도의 수준임을 확인할 수 있었다. 이는 표면 측정 실험에서 확인하였듯, 서로 다른 재료의 접합이 정밀하게 이루어지지 못했기 때문으로볼 수 있다.
이는 표면 측정 실험에서 확인하였듯, 서로 다른 재료의 접합이 정밀하게 이루어지지 못했기 때문으로볼 수 있다. 인장시험 이후 파단면을 확인함으로써 동일한 원인을 확인할 수 있었는데, Fig. 16과 같이 다중재료 출력물의 경우 재료 간의 접합이 이루어지는 부분에서 파단면을 형성한 반면, 단재료 출력물에서는 그 위치가 시편마다 조금씩 다른 것을 확인할 수 있었다.
1)번 만큼의 세척과정을 거치게 된다. 출력 대상에 따라 다르겠지만, Fig. 10(A) 의 출력 소요시간을 비교한 결과, 2개의 단면층을 출력할 때, 기존 방법은 6분 이상이 소요되었고, 개선된 방법은 2분 40초가 소요되어 약 2배 이상 빠른 출력속도를 확인할 수 있었다.

후속연구

5) 재료(resin) 다중재료 3차원 프린터 기술이 기존 3차원 프린터가 지속적으로 지적되는 ‘출력가능 제품의 한계’를 근본적으로 해결하기 위해 다양한 물성을 갖는 재료의 개발이 필수적이다.
본 기계에 있어, 하나의 단면 생성에 소요시간은 5초 내외인 반면, 세척 소요시간은 이동과정을 포함하여 20초가 넘기 때문에, 세척 횟수를 최소화한 효율적인 출력과정의 개발이 필요했다. Fig.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 다물질 접합부의 특성화된 조형 조건에 대한 연구가 필요할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DLP와 SLA 방식의 차이점은 무엇인가?	빛에 포함된 자외선과 액체 수지(resin)가 반응하여 광중합 반응을 일으키는 성질을 이용한 DLP(digital light processing) 3차원 프린팅 방식은 출력하고자 하는 3차원 모델링의 단면이미지를 순차적으로 비추는 방법으로 출력물을 제작한다. 이와 유사한 방식으로 SLA(stereo lithography apparatus) 방식이 있으며, DLP와 SLA 방식은 광경화성 액체수지의 광중합 반응에 의한 고형화 원리는 동일하나, 출력물을 제작할 때 DLP 방식은 면(face) 단위로 출력이 진행되고, SLA 방식은 점(point) 단위의 출력이 진행되는 차이점을 보유하고 있다. 현재의 3차원 프린터는 시장성 및 성능 측면에서 일정 수준의 상용화가 가능해져 여러 분야에서 활용되고 있다.
	DLP 3차원 프린팅 기술에서 지적되는 주요 문제 및 유의사항은 무엇인가?	1) 재료 간 오염 및 낭비 다중재료 3차원 프린터는 재료를 교체 하는 과정이 존재하는데, 이 과정에서 재료 간 오염이 발생될수 있다. 재료 간 오염은 출력 제품의 품질저하뿐만 아니라 남은 재료의 재활용을 불가능하게 만드는 요인이다. 2) 접합성 기존 3차원 프린터 원리인 적층방식은 다중재료 3차원 프린 터에서도 적용되는 방식이다. 서로 다른 물성을 보유하고 있는 액체 상태의 재료를 적층함과 동시에 안정적으로 접합시 키는 것은 다중재료 3차원 프린터에서 중요하게 고려되어야할 사항이다. 3) 데이터 처리 기존의 3차원 프린터는 출력물의 전체 3차원 이미지를 STL 파일 형식으로 처리하여 출력이 진행되는 반면, 다중재료 3차원 프린터는 CAD(computer aided design) 프로그램을 이용하여 각 재료에 해당하는 3차원 모델링 정보가 부여될 수 있는 방법이 필요하다. 4) 출력공정의 추가 다중재료 3D 프린터가 갖고 있는 특징을 이용해, 재료 교환 과정, 재료 간 오염의 방지, 접합성 확보 등은 한 재료를 사용 하는 단순한 3차원 프린터 보다 많은 출력공정을 필요로 하는 요인이다. 이들은 성능평가 요소 중 출력 소요시간에 직접 적으로 관련된 요소로, 오염을 방지하면서 재료 간 접합력이 적절하며 출력 소요시간을 최소화할 수 있는 출력공정을 개발해야 한다. 5) 재료(resin) 다중재료 3차원 프린터 기술이 기존 3차원 프린 터가 지속적으로 지적되는 ‘출력가능 제품의 한계’를 근본적 으로 해결하기 위해 다양한 물성을 갖는 재료의 개발이 필수 적이다. 예를 들어, 높은 전기전도도와 열전도율이 높은 금속, 기능성 세라믹, 반도체 등 다양한 재료를 사용할 수 있는 다중 재료 3차원 프린터가 개발된다면 3차원 프린터가 활용되는 분야는 크게 넓어질 것이다.
	DLP는 어떤 성질을 이용한 기법인가?	빛에 포함된 자외선과 액체 수지(resin)가 반응하여 광중합 반응을 일으키는 성질을 이용한 DLP(digital light processing) 3차원 프린팅 방식은 출력하고자 하는 3차원 모델링의 단면이미지를 순차적으로 비추는 방법으로 출력물을 제작한다. 이와 유사한 방식으로 SLA(stereo lithography apparatus) 방식이 있으며, DLP와 SLA 방식은 광경화성 액체수지의 광중합 반응에 의한 고형화 원리는 동일하나, 출력물을 제작할 때 DLP 방식은 면(face) 단위로 출력이 진행되고, SLA 방식은 점(point) 단위의 출력이 진행되는 차이점을 보유하고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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