FDM 방식은 열가소성필라멘트 가열을 이용하고 압출하여 적층하는 방식이다. FDM프린팅 공정은 정밀도와 표면 거칠기가 고르지 않지만, 비용과 출력시간에 많은 이점을 갖는다. 최근 몇 년 동안, FDM 프린팅 공정의 정확성을 향상시키는 연구가 많이 진행되었으나, 개방형 3D 프린터의 정밀도 향상에 관한 연구는 미진한 실정이다. 본 연구에서는 개방형의 베드 개선을 통해 상기 출력부의 온도 차이를 감소시키는 방법을 제안한다. 전통적으로, 폐쇠 된 챔버 내에서 FDM프린팅 공정은 수행된다. 그러나, 이 연구에서는 온도차이를 줄이기 위해 개방형 히팅 시스템을 사용하였다. FDM 방식의 프린팅 공정을 FEM시뮬레이션을 이용하여 수행하였으며, 실험을 통하여 결론을 도출하였다.
FDM 방식은 열가소성 필라멘트 가열을 이용하고 압출하여 적층하는 방식이다. FDM 프린팅 공정은 정밀도와 표면 거칠기가 고르지 않지만, 비용과 출력시간에 많은 이점을 갖는다. 최근 몇 년 동안, FDM 프린팅 공정의 정확성을 향상시키는 연구가 많이 진행되었으나, 개방형 3D 프린터의 정밀도 향상에 관한 연구는 미진한 실정이다. 본 연구에서는 개방형의 베드 개선을 통해 상기 출력부의 온도 차이를 감소시키는 방법을 제안한다. 전통적으로, 폐쇠 된 챔버 내에서 FDM프린팅 공정은 수행된다. 그러나, 이 연구에서는 온도차이를 줄이기 위해 개방형 히팅 시스템을 사용하였다. FDM 방식의 프린팅 공정을 FEM 시뮬레이션을 이용하여 수행하였으며, 실험을 통하여 결론을 도출하였다.
When using the FDM to create a 3D object, a thermoplastic filament is heated to its melting point and then extruded layer by layer. Although the FDM printing process has many advantages, its accuracy, and surface finish are not satisfactory. In recent years, much research has been devoted to improvi...
When using the FDM to create a 3D object, a thermoplastic filament is heated to its melting point and then extruded layer by layer. Although the FDM printing process has many advantages, its accuracy, and surface finish are not satisfactory. In recent years, much research has been devoted to improving the accuracy of the FDM printing process. The temperature difference between the nozzle and the interior of the chamber of a 3D printer is one of the important parameters affecting the printing process. In this study, we propose a methodology to reduce this temperature difference through design improvement. In addition, we elucidate how this design improvement affects product quality. The FDM printing process is conventionally carried out in a closed chamber. However, in this study, an open heating system is used to reduce the temperature. The FDM printing processes were simulated using FEM analysis.
When using the FDM to create a 3D object, a thermoplastic filament is heated to its melting point and then extruded layer by layer. Although the FDM printing process has many advantages, its accuracy, and surface finish are not satisfactory. In recent years, much research has been devoted to improving the accuracy of the FDM printing process. The temperature difference between the nozzle and the interior of the chamber of a 3D printer is one of the important parameters affecting the printing process. In this study, we propose a methodology to reduce this temperature difference through design improvement. In addition, we elucidate how this design improvement affects product quality. The FDM printing process is conventionally carried out in a closed chamber. However, in this study, an open heating system is used to reduce the temperature. The FDM printing processes were simulated using FEM analysis.
본 연구에서는 개방형 FDM방식 3D 프린터에서 출력할 시 휨이 많이 발생하는 ABS재질을 사용하여 출력 시의 휨의 완화를 위한 개방형 히팅 시스템에 대하여 연구하였다. FDM방식의 3D 프린터의 상용화를 위하여 기존의 고가인 밀폐형 히팅 시스템구조에서 간단한 개방형으로 또한 정밀도를 향상 시키기 위하여 3차원 CAD 프로그램인 SolidWorks 2014로 보급형 FDM 3D 프린터를 도면화 하고,SolidWorks Add-in인 FlowSimulation을 사용하여 휨의 원인을 분석하였다.
제안 방법
개방형 히팅 시스템을 제작하기 위하여 기존D 프린터를 실측하여 CAD데이터를 생성하고, 해당 CAD데이터를 이용한 유한요소 해석을 통하여 휨의 원인을 연구하였다. 추가적인 열원을 배치해 휨을 줄여줄 수 있는 개방형 히팅 시스템을 구상하였으며, 실험을 통하여 확인하였다.
대상 데이터
2mm로 총 4mm로 결정하였다. 따라서 시편은 50 × 50 × 4(mm) 직육면체로 결정하였다.
3147mm로 가장 높았으며 점차 안정화 하는 것을 확인하였다. 출력 실험 시 휘어짐 양을 측정하기 위하여 시편의 레이어 수는20으로 결정하였으며, 한 개 레이어 높이 0.2mm로 총 4mm로 결정하였다. 따라서 시편은 50 × 50 × 4(mm) 직육면체로 결정하였다.
데이터처리
본 연구에서는 개방형 FDM방식 3D 프린터에서 출력할 시 휨이 많이 발생하는 ABS재질을 사용하여 출력 시의 휨의 완화를 위한 개방형 히팅 시스템에 대하여 연구하였다. FDM방식의 3D 프린터의 상용화를 위하여 기존의 고가인 밀폐형 히팅 시스템구조에서 간단한 개방형으로 또한 정밀도를 향상 시키기 위하여 3차원 CAD 프로그램인 SolidWorks 2014로 보급형 FDM 3D 프린터를 도면화 하고,SolidWorks Add-in인 FlowSimulation을 사용하여 휨의 원인을 분석하였다. 또한 휨의 원인인 출력물 온도의 차이를 줄여주기 위하여 히팅 테이프를 이용한 히팅 시스템을 구상하고 유한요소 해석을 통하여 적용온도의 최적의 온도를 찾고, 실험을 통해 검증하였다.
해석은 SolidWorks2014의 Add-in인 FlowSimulation로 진행하였으며, 해석 조건은 이전 유한 요소 해석과 동일한 조건으로 Heat Sources는 노즐부에서 250℃로, 히팅 베드에서 80℃로 발열하고, Boundary Conditions은 개방형에 맞게 Pressure Opening Type의 Static Pressure로 유체 및 열이 프린터의 내 외부를 자유롭게 오갈 수 있게 하였으며 추가로 생성된 Heating Source부분에 히트베드 온도인 80℃부터 10℃씩 상승시켰으며 휨이 가장 많이 발생하는 모서리 부분의 온도 분포가 균일하게 되는 온도를 도출하였다.
이론/모형
따라서 온도 분포 그래프의 기울기가 0에 가까울수록 출력물의 온도가 균일하다고 할 수 있다. 그래프는 대칭을 이루고 있으므로, 25mm부터 50mm까지의 데이터를 수치해석 기법인 최소 자승법(Least Square Method)을 이용하여 데이터의 최적 접합을 찾고 해당 기울기를 구하여 최적의 적용 온도를 찾아냈다.(5)
3과 같이 확인하였다. 출력물이 휘지 않는 높이를 찾기 위하여 고전 적층 이론(Classical Lamination Theory)을 이용하였다. 고전 적층이론의 출력물 곡률변형(δ)공식은 다음과 같다.
성능/효과
또한 휨의 원인인 출력물 온도의 차이를 줄여주기 위하여 히팅 테이프를 이용한 히팅 시스템을 구상하고 유한요소 해석을 통하여 적용온도의 최적의 온도를 찾고, 실험을 통해 검증하였다. 120℃ 이하에서는 노즐 및 3D 프린터의 핵심부품은 개방형과 노즐에 부착된 팬에 의해 큰 영향이 없으나, 120℃ 이상으로 구동시 시스템에 영향을 미치는 것을 CFD 해석과 실험으로 검증하였다.
FDM방식의 3D 프린터의 상용화를 위하여 기존의 고가인 밀폐형 히팅 시스템구조에서 간단한 개방형으로 또한 정밀도를 향상 시키기 위하여 3차원 CAD 프로그램인 SolidWorks 2014로 보급형 FDM 3D 프린터를 도면화 하고,SolidWorks Add-in인 FlowSimulation을 사용하여 휨의 원인을 분석하였다. 또한 휨의 원인인 출력물 온도의 차이를 줄여주기 위하여 히팅 테이프를 이용한 히팅 시스템을 구상하고 유한요소 해석을 통하여 적용온도의 최적의 온도를 찾고, 실험을 통해 검증하였다. 120℃ 이하에서는 노즐 및 3D 프린터의 핵심부품은 개방형과 노즐에 부착된 팬에 의해 큰 영향이 없으나, 120℃ 이상으로 구동시 시스템에 영향을 미치는 것을 CFD 해석과 실험으로 검증하였다.
본 연구를 통하여 밀폐형이 아닌 개방형 히팅 시스템으로도 ABS재질의 휨이 완화하는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FDM 방식이란 무엇인가
FDM 방식은 열가소성 필라멘트 가열을 이용하고 압출하여 적층하는 방식이다. FDM 프린팅 공정은 정밀도와 표면 거칠기가 고르지 않지만, 비용과 출력시간에 많은 이점을 갖는다.
개방형으로 출력제품의 공간에만 높은 온도로 조절할 수 있는 외부 히팅 시스템 개발의 배경은 무엇인가
현재 출력물 정밀도 향상을 위하여 출력 공간하부에 히트베드(Heat Bad)를 설치하지만, 정밀한 출력물을 생성하기는 어렵다고 할 수 있다. 문제를 해결하기 위해 밀폐형 챔버가 장착된 프린터를 사용하지만 밀폐형 챔버가 장착된 프린터는 고가인 것이 단점이다. 또한 열 수축현상에 의해 고온으로 유지시켜야 하지만, 밀폐형의 경우 PCB, 스텝핑 모터(Stepping Motor), 타이밍 벨트(Timing Belt) 등에 영향을 줄 수 있기 때문에 고온으로 온도를 유지하기 힘들다. 따라서 개방형으로 출력제품의 공간에만 높은 온도로 조절할 수 있는 외부 히팅 시스템을 생성하면 장비에 영향을 줄여줄 수 있으며, 출력 시 제품을 관찰하기 용이하여 오류를 줄일 수 있다.
3차원 적층 가공 기술의 장점은 무엇인가
3차원 적층 가공 기술(Additive Manufacturing,AM)은 정밀도의 향상과 가격이 저렴해 짐에 따라 산업 현장은 물론 개인 사용자에게도 보급이 가속화 되고 있으며 이에 따른 시장의 규모가 점차 커지고 있다. 3차원 적층 가공 기술은 종래의 출력 기술과는 달리 제작하려는 물체의 Z방축 방향으로 얇게 단면을 나누고 이 단면을 한층 한층 입체적으로 출력이 가능하며, 3D CAD 도면이 있다면 복잡하고 다양한 물체를 손쉽게 제작할 수 있는 것이 장점이다. 적층 가공 기술에 속하는 3D 프린터는 현재 직접적인 생산기술로 활용되기 보다는 완제품 이전의 시제품 제작 또는 금형 제작 등에 주로 사용되고 있으며,(1) 이는 사용 되는 재료가 한정적이기 때문에 제작하는 출력물의 강도 및 정밀도가 제한적이기 때문이다.
참고문헌 (5)
Bak, D., 2003, "Rapid Prototyping or Rapid Production? 3D Printing Processes Move Industry Towards the Latter," Assembly Automation, Vol. 23, No. 4, pp. 340-345.
Cha, H., 2014, "A Studyonpersonal3D Printer Safetyguide," Master Thesis, Graduate School Kumoh National Institute of Technology, Gumi.
Kim, G. D. and Lee, J. K., 005, "Prediction of Curl Distortion using Classical Lamination Theory in Stereolithography," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 22, No. 11, pp. 210-217.
Reddy, J.N., 1997, Mechanics of Laminated Composite Plates, CRC Press, pp. 135-141.
Steven C, C., 2008, "Applied Numerical Methods : with MATLAB for Engineers and Scientists," 2nd ed, McGraw-Hill Higher Education, Boston.
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