[논문]ABS 수지로 3D Printing 시 실험변수들의 영향

강용구; 이태원; 신근식

doi:10.14775/ksmpe.2017.16.2.094

ABS 수지로 3D Printing 시 실험변수들의 영향
The Influence of Experiment Variables on 3D Printing using ABS Resin 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.16 no.2, 2017년, pp.94 - 101

강용구 (금오공과대학교 기계설계공학과) , 이태원 (금오공과대학교 기계설계공학과) , 신근식 (금오공과대학교 대학원 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the small quantity batch production method has come into the spotlight as there are more plastic processing methods. At the same time, the 3D printer market has become globally widespread due to expired 3D printer patents. In particular, the FDM method is widely used for cheap products and materials. However, the FDM scheme is not as good as the injection molding method for quality and strength. This study investigated the effect of the internal filling and strength according to layer thickness to search for the optimum printing of the factors (infill and layer thickness) that determine the strength of the model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

FDM방식 외에도 DLP(Digital Light Processing), SLS(Selective Laser Sintering), SLA와 같은 여러 종류의 프린터가 있지만 가격 대비 성능과 유지비 및 재료의 물성 치를 볼 때, 가장 합리적인 프린터인 FDM 방식을 채택하여 시험편을 통한 강도 및 생산성과 품질을 비교해 보고자 한다.
따라서 본 연구는 3D 프린터로 제품을 제작 시 가장 중요시 하는 요소(강도, 품질 및 가격)별로 기본적인 기준을 제시하고자 하는 연구의 일환으로 우선 3D 프린터의 기본이 되는 Mendel I2 기종을 사용하여 ABS 수지를 주재료로 프린팅 시 내부 채움, 적층두께 및 적층기울기가 강도와 품질에 미치는 상관관계를 조사, 연구하고자 한다.
4절 Table 1에서 나타낸 인장강도는 사출된 ABS 수지의 고유 인장강도이며 실제 원료인 ABS 수지 필라멘트를 사용하여 3D 프린팅 한 경우의 인장강도는 적증기울기 각도, 적증두께 및 내부 채움에 따라 변화 될 것으로 사료된다. 따라서 인장강도에 영향을 미치는 세 가지 인자 중 먼저 적층 기울기 각도의 영향을 조사하기 위하여 세 가지 기울기로 적층된 시험편의 인장강도를 사출된 ABS수지의 인장강도와 우선 비교하고자 한다. 위의 기울기를 토대로 모델링을 제작할 때 내부 채움 및 외부 환경을 일정한 조건으로 하여 채움 100%, 두께 0.
본 연구에서는 3D 프린팅 시 최적조건을 구하기 위하여 적층기울기, 내부 채움 및 적층 두께에 따른 시간, 비용, 품질간의 상관관계 및 인장강도에 미치는 영향을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

2.2절에서 설명한 슬라이스 프로그램을 사용하여 내부 채움 및 적층두께에 따른 시간 및 비용의 상관관계를 검토하였다. 3D Modeling한 시험편을 STL 확장자로 저장한 후 슬라이스 프로그램을 통해 예상되는 값을 도출해낼 수 있다.
내부 채움이란 시험편 가장자리를 제외한 내부를 재료로 어느 정도 채울지를 나타내는 것이며 예로서 내부 채움 50%는 시험편내부가 용융된 ABS재료로 50%, 나머지 50%는 빈 공간으로 구성됨을 의미한다. 따라서 내부 채움과 적층두께 및 적층기울기를 변수로 하여 인장실험에서 강도 값을 측정하고 슬라이스 프로그램을 통해 품질, 비용, 걸린 시간을 비교하여 가장 최적의 값을 도출해 낸다.
3에 나타내었다. 앞서 설명한 슬라이스 프로그램을 통해 걸린 제작 시간과 사용되는 양을 실험변수별로 고려했을 경우와 인장시험을 통해 실험변수별 인장강도를 측정하여 그들 사이에서의 최적의 수치를 구한다. Fig.
따라서 인장강도에 영향을 미치는 세 가지 인자 중 먼저 적층 기울기 각도의 영향을 조사하기 위하여 세 가지 기울기로 적층된 시험편의 인장강도를 사출된 ABS수지의 인장강도와 우선 비교하고자 한다. 위의 기울기를 토대로 모델링을 제작할 때 내부 채움 및 외부 환경을 일정한 조건으로 하여 채움 100%, 두께 0.3mm로 제작하였다.
인장강도에 영향을 미치는 세 가지 인자 중 먼저 적층기울기 각도의 영향을 조사하기 위하여 Fig. 5와 같이 세 가지 기울기로 적층된 시험편의 인장강도를 사출된 시험편(ABS 수지)의 인장강도와 우선 비교하고자 한다.
재료의 기계적 성질을 조사하는 방법 중 가장 기본적이고 단기에 값을 도출할 수 있는 인장 시험을 통해 각 조건에 따라 제작된 ABS 수지 시험편의 인장강도를 구하고자 한다. 시험편은 인장강도 측정시험편 규격 중 KS M ISO 527-4의 직교섬유 강화 플라스틱 복합재료의 규격에 따라 제작하였다.
적층두께에 따른 인장강도 변화는 Fig. 7과 같이 내부 채움은 80%로 일정하게 하고 적층두께를 0.1, 0.15, 0.20, 0.25 및 0.3mm의 5단계로 변화시킨 시험편을 사용하였으며 제작조건은 Table 3에 나타낸 바와 같다.

대상 데이터

FDM 방식의 3D 프린터의 재료들은 Roll 형태의 실타래 모양의 플라스틱으로 되어있고 이를 필라멘트(Filament)라고 한다. 본 논문에서 사용한 재료는 ABS 수지이며 인체에 무해한 소재인 PLA와 더불어 많이 사용하고 있다. 본 실험에 사용한 ABS 수지의 물리적 성질은 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

재료의 기계적 성질을 조사하는 방법 중 가장 기본적이고 단기에 값을 도출할 수 있는 인장 시험을 통해 각 조건에 따라 제작된 ABS 수지 시험편의 인장강도를 구하고자 한다. 시험편은 인장강도 측정시험편 규격 중 KS M ISO 527-4의 직교섬유 강화 플라스틱 복합재료의 규격에 따라 제작하였다.

성능/효과

1. 인장강도는 적층기울기가 증가할수록 감소하였으며 기울기 0° 때가 34MPa로 가장 크며 ABS 수지의 강도 43MPa에 비해 21% 감소하였다.
2. 인장강도는 적층두께가 증가할수록 감소하는 경향을 보이는데 이는 노즐에서 용융된 플라스틱의 한 라인과 출력물 사이 접촉 면적이 적층두께가 증가할수록 작아지기 때문에 결합력이 낮아져 강도가 감소함을 알 수 있다.
3. 내부 채움에 따른 인장강도는 내부 채움이 증가할수록 선형적으로 증가한다. 이는 내부 채움이 증가할수록 출력물 내부의 전단 응력을 받는 실제 단면적이 증가하기 때문이다.
4. 내부 채움이 증가할수록 비용(Cost)은 늘고 속도(Speed)는 줄어들어 생산성은 낮아지지만 강도는 증가함을 확인하였다.
5. 품질 면에서도 적층두께가 증가할수록 품질이 좋지 않음을 확인 할 수 있었다. 이는 적층두께 증가로 인한 표면 거칠기가 증가하면서 품질이 고르지 못하며 특히, 내부 채움 100%일 때 둥근 노즐 모양의 특성에 의하여 노즐에서 출력된 원기둥라인들 간의 접촉구간이 Overlap 되어 밖으로 나오면서 표면이 거칠어진다.
또한 그림에는 이와 같은 경향을 비교하기 위하여 PLA재^[8]데이터도 병기하여 나타내었다. 두 재료 모두 내부 채움이 증가할수록 인장강도가 선형적으로 증가하는데 이는 내부 채움이 증가할수록 하중에 받는 출력물의 실제 단면적이 증가하면서 저항력도 높아져 단면적 증가에 따라 응력이 선형적으로 증가하는 것으로 판단된다.
또한 ABS 수지 필라멘트의 인장강도는 43MPa로 적층기울기 0°에서의 인장강도 34MPa과 비교했을 때 적층에 따라 강도가 21% 감소함을 알 수 있다.
그러나 비교 데이터인 PLA재^[8]에서는 ABS재와는 달리 적층두께가 증가할수록 인장강도는 미세하지만 선형적으로 증가하는 경향을 나타낸다. 이러한 현상은 본 연구에서 사용한 ABS재와는 달리 PLA재는 접촉면적보다 결함의 영향을 많이 받는 고강도 취성재의 특성을 나타내어 적층두께가 감소할수록 적층된 시험편 내 취약한 접촉면이 상대적으로 증가하여 강도가 감소한 것으로 판단된다.
즉, 적층기울기 0° 때의 인장강도는 적층기울기 90° 일 때보다 약 2배가량 높게 나타난다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대부분의 3D 프린터의 원리는 무엇인가?	대다수 3D 프린터의 원리는 평면에 그림을 그리듯 2D로 모양을 내고, 그 위를 적층해 가며 쌓아 올라가거나 재료를 덧붙이는 형태로 모델을 생성해간다. 일반적으로 CNC(Computerized Numerically Control)와 같이 재료를 절삭하여 모델을 만드는 것이 아니기 때문에 표현하기 어려운 부분까지 제작이 가능하게 해준다.
	제품을 양산하기 전에 3D 프린팅을 통해 시제품을 제작하여 완성도를 검증하는 것이 바람직한 이유는 무엇인가?	21세기에 들어서면서 미래 지향적이고 인체공학적이며 보다 자연친화적이면서 생산성과 품질을 갖춘 제품에 대한 요구가 증대되고 있다. 소비자 요구(Customer Needs)가 다양해지면서 컴퓨터를 사용한 3차원 설계(3D Modeling)나 해석(Analysis)만으로는 제품의 완성도를 완벽하게 검증할 수 없다. 따라서 제품을 양산하기 전에 3D 프린팅을 통해 시제품(Prototype)을 제작하여 완성도를 검증하는 것이 바람직하다.
	3D 프린터의 특징은 무엇인가?	3D 프린터는 다양한 소비자의 욕구를 충족시키는 다품종 소량생산에 가장 특화된 제조방법으로 다양한 분야에서 활용할 수 있으나 아직까지는 많은 연구는 이루어지지 않은 분야이다.[3]

참고문헌 (8)

Cho, J. H., "An Analysis on the Effects of 3D Printers on Visual Entertainment," Journal of Korean Society of Design Culture, Vol. 21, No. 2, pp. 590-593, 2015.
Kim, W. S., "Open Source Hardware Design Using 3D Printer," Korea Design Knowledge Society, Vol. 26, pp. 113-124, 2013.
Choi, E. J., "A Study on the Stare-of-the-Art of 3D Printers," Proceedings of the Korean Society of Computer Information Conference, Vol. 20, No. 2, pp. 385-388, 2013.
Park, K., "Investigation into Directional Properties of Rapid Prototypes and Its Application To FE Analysis Considering Anisotropy," Journal of Korean Society for Precision Engineering, Vol. 25, No. 11, pp. 126-133, 2008.
Choi, W., "Measurement of Structural Properties of PLA Filament as a Supplier of 3D Printer," Journal of Korean Society of Agricultural Engineers, Vol. 57, No. 6, pp. 141-152, 2015.

원문보기 상세보기
Choi, J. W., "3D Printing Technologies A review," Journal of Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, N0. 3, pp. 1-8, 2015.
Shin, G. S., "Engineering Design of Prosthetic Hand using a 3D Printer," A Thesis for a Master, School of Mechanical Engineering Kumoh National University of Technology, Republic of Korea, 2015.
3D MATTER(2015), "What is the Influence of Infill %, Layer Height and Infill Pattern on My 3D Prints," Retrieved 10, March, 2015, from http://my3dmatter.com/influence-infill-layer-heightpattern/

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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