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문제 정의
- (1) 3D 프린팅 공정 적용을 통하여 3D 스캔 데이터를 이용한 신체의 임의적인 표면의 PDMS 성형 몰드에의 구현과 각 부분 별 적합 소재의 배열을 통해 반복적인 사용의 관점에서는 좋은 유연성을 보이는 소재의 적용을, 성형성의 관점에서는 좋은 경도를 보이는 소재를 적용한 PDMS 성형몰드의 제작을 목표로 연구를 진행하였다.
- 이 때 PDMS 성형 몰드에 생기는 변형과 가해지는 스트레스는 몰딩의 반복작업 시 PDMS 성형 몰드의 수명에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다. 몰드의 이형 해석은 인장시험을 통해 획득한 각 소재 별 파손 변형률 대비 PDMS 성형 몰드의 최대 변형률 비를 구하여 변형에 대한 몰드의 부분 별 최적 소재 배열을 찾는 것에 목적을 두고 있다.
- 본 연구에서는 PDMS(polydimethylsiloane)(5)를 외피로 사용하여 샌드위치 패키징을 통한 신체 부착 센서를 목적에 맞게 제작하는 과정에서 외피로 사용된 PDMS를 적합한 형상으로 성형 가능하게 하는 몰드를 3D 프린팅 공정을 통해 제작하는데 그 목적을 두고 있다. 3D 프린팅 공정의 자유로운 형상 제작이 가능하다는 이점은 3D 스캐닝을 통하여 얻은 데이터를 기반으로 사람의 신체 표면의 임의적인 곡면을 가지는 PDMS 성형 몰드의 제작을 가능하게 하며, 이는 외력이나 변형에 의해 쉽게 파손되지 않으며 신체와의 보다 밀접한 접촉을 이룰 수 있는 신체 부착 센서의 제작을 가능하게 한다.
- PDMS 성형 몰드의 Roof 부에서 발생하는 자중에 의한 처짐은 PDMS의 성형성에 있어서 큰 영향을 끼치는 요인 중 하나이다. 본 해석의 목표는 27가지 소재 배열에 대하여 PDMS의 성형성에 영향을 끼치지 않는 적정 수준의 처짐량을 만족하는 소재 배열을 찾는 것에 있다.
제안 방법
- (2) PDMS 성형 몰드 제작에 있어 고려한 소재는 총 4가지로 Mat.1(Vero white), Mat.2 &3(Verowhite + Tango plus), Mat.4(Tango plus)를 사용하였으며, 총 27가지의 소재 배열에 대하여 ABAQUS를 이용한 몰드의 이형 해석과 자중에 의한 처짐 해석을 수행하여 해석상 최적의 소재 배열을 찾아내었다.
- (3) 해석을 통하여 찾아낸 최적의 소재 배열인 case 5(Bridge: Tango plus, Roof.1: Vero white + Tango plus(Shore A60), Roof.2: Vero white + Tango plus(Shore A95), Base & Post: Vero white)에 대하여 실제 PDMS 성형 몰드를 3D 프린터를 이용하여 제작하였고, 제작된 PDMS의 두께 관측을 통하여 PDMS 성형 몰드의 자중에 의한 처짐과 변형에 대한 최적화를 규명하였다.
- 몰드의 이형 해석은 Roof부가 들어올려지는 동작이 나타나기 때문에 Fig. 8(a)에 나타난 것과 같이 Roof.1 앞부분의 절점들을 MPC(multipoint constraint) 조건을 이용하여 한 점으로 모아 손으로 잡아 들어올리는 것과 같은 형태의 경계조건을 주었다. MPC 조건을 활용하여 묶은 한 점이 따라가는 경로는 실제 PDMS 성형 몰드가 이형되는 경로에 있는 한 점을 동영상 촬영을 통해 모사한 뒤 Function 기능을 통해 설정하였다.
- 해석 상 여러 소재의 적용을 위하여 Fig. 7의 (b)와 같이 Roof부를 두 부분으로 분할한Roof.1, Roof.2와 Bridge부를 포함한 총 3부분으로 나누어 해석을 진행하였다. 해석상에서 각 소재들의 배열에 대한 경우의 수는 모델링 상 3부분으로 나누어진 각 부분들에 대하여 3가지 소재들에 대한 조합으로 총 3*3*3=27가지의 소재 배열에 대하여 해석을 진행하고 결과 값들을 정리 및 분석하였다.
- 1 앞부분의 절점들을 MPC(multipoint constraint) 조건을 이용하여 한 점으로 모아 손으로 잡아 들어올리는 것과 같은 형태의 경계조건을 주었다. MPC 조건을 활용하여 묶은 한 점이 따라가는 경로는 실제 PDMS 성형 몰드가 이형되는 경로에 있는 한 점을 동영상 촬영을 통해 모사한 뒤 Function 기능을 통해 설정하였다. 모사한 Displacement function은 Fig.
- PDMS 성형 몰드를 사용한 PDMS 성형 시 이형 과정에서 몰드에 가해질 수 있는 힘과 변형에 대한 해석을 진행하기 위해 몰드의 형상을 모델링하였다. 모델링에서 Roof 부와 Base 부는 해석 결과의 보다 정밀한 비교 분석을 위해 신체 표면의 임의적인 곡면의 형상이 아닌 일정한 굴곡을 가지는 곡면으로 제작하였다.
- 2와 같이 4가지 부분으로 구분한다. PDMS의 실질적인 성형을 담당하는 부분은 Roof 부와 Base 부로 나뉘며 3D 스캔을 통해 얻은 신체의 표면 데이터를 기반으로 설계를 진행한다. Roof 부는 PDMS의 성형성에 관여함과 동시에 이형을 함께 수행하여야 하므로 기본적으로 너무 무르지 않으며 일정 수준의 유연성을 가질 수 있는 Semi-flexible 소재를 사용하는 것이 적합하다.
- 각 소재의 밀도는 시편의 질량을 측정하여 관계식을 통하여 구하였고, 각 소재의 물성은 인장실험을 통하여 획득하였으며, 인장시험에 사용된 시편의 규격은 플라스틱 소재인 Verowhite는 ASTM D638(6) 규격을 사용하여 제작하였고 고무 유사성 재료인 나머지 3가지 소재에 대해선 ASTM D412(7) 규격을 사용하여 3D 프린팅을 통해 인장시편을 제작하였다(8) .
- PDMS 성형 몰드를 사용한 PDMS 성형 시 이형 과정에서 몰드에 가해질 수 있는 힘과 변형에 대한 해석을 진행하기 위해 몰드의 형상을 모델링하였다. 모델링에서 Roof 부와 Base 부는 해석 결과의 보다 정밀한 비교 분석을 위해 신체 표면의 임의적인 곡면의 형상이 아닌 일정한 굴곡을 가지는 곡면으로 제작하였다. 모델링에서 해석시간의 단축을 위하여 Base 부와 Post 부의 경우 가장 단단한 경질의 플라스틱 소재인 Mat.
- 변경된 소재 배열에 대한 PDMS 성형 몰드의 개선효과를 확인하기 위하여 기존에 사용하던 몰드의 소재배열인 case 4의 몰드 또한 제작하였다. 이와 같이 제작된 몰드를 사용하여 PDMS를 제작하게 될 경우 몰드의 이형 과정에서 몰드와 PDMS간의 부착력으로 인하여 이형이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 다수 발생하게 된다.
- 반면 오븐에서의 고형화가 끝난 후 이형과정 진행 시 Roof부와 Base부를 연결하는 Bridge부에서 변형이 발생하는데 소재의 유연성이 부족할 경우 이형을 진행할 수 없는 상황이나 성형 몰드가 파손되는 상황이 발생할 수도 있다. 본 연구에서는 이러한 사항들을 고려하여 ABAQUS 프로그램을 활용한 유한요소해석을 통해 PDMS 성형 몰드의 각 부분 별 수행하는 역할에 따른 최적화 된 소재배열을 찾고, 해석을 통하여 선정한 소재배열에 대하여 실제 PDMS 성형 몰드를 제작하고 처짐과 변형에 대한 결과를 검증하였다.
- 본 연구에서는 해석을 통해 PDMS 성형 몰드의 각 부분 별 최적의 소재 배열을 찾고 선정된 소재 배열에 대하여 성형 몰드 제작 및 PDMS의 두께 측정 실험과 결과 값 분석을 진행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 본 해석은 PDMS 성형 몰드에서 자중에 의한 Roof부의 처짐을 확인하는 것으로 모델링 전체에 y 방향으로 -9810mm/s2의 조건을 부과하여 중력의 영향을 고려하였다. 또한 Base부에 의하여 지지되는 Bridge부의 밑면에 Encastre 조건을 부여하였고, 마찬가지로 Post부에 의하여 지지되는 Roof부는 Post 부의 넓이만큼 Roof부 밑면의 절점들에 대하여 고정조건을 부여하였다.
- 사용 가능한 소재 중 가장 단단하고 유연성이 없는 소재인 Vero white와 가장 무르고 유연성이 좋은 소재인 Tango plus를 기준으로 Vero white와 Tango plus를 혼합한 소재를 Shore A 경도를 기준으로 나눈 Vero white + Tango plus (Shore A60 & Shore A95)의 총 4가지 소재로 해석을 진행하였다.
- 소재 배열의 조합은 Roof 부와 Bridge 부에의 적용은 부적합하다고 판단하여 제외한 Mat.1을 제외한 Mat.2, 3, 4의 3가지 소재들의 조합으로 총 27가지 소재 배열에 대하여 진행하였고, 해석의 결과값으로는 인장시험을 통해 얻은 각 소재의 파손이 발생하는 변형률에 대한 최대 변형률의 비를 구하였다. 이형 해석 결과 몰드에서 나타난 최대 변형률은 대부분 Roof부와 Bridge부의 연결 지점과 Bridge부와 Base부의 연결 지점에서 나타났다.
- 소재 배열의 조합은 몰드의 이형 해석과 마찬가지로 27가지 소재 배열에 대하여 진행하였고, 해석의 결과 값으로는 자중에 의한 Roof 부의 처짐량을 구하였다. 처짐 해석 결과 Roof부의 모든 구간에서 처짐이 발생하였고, 그 중 가장 많은 처짐을 보인 구간은 Roof부의 가운데 부분임을 확인할 수 있었다.
- 해석을 통하여 선정된 소재 배열인 case 5의 PDMS 성형 몰드와 기존에 사용되던 case 4 소재 배열의 PDMS 성형 몰드와의 비교실험을 진행하였다. 실험에 사용된 PDMS 성형 몰드는 case 4와 case 5의 소재 배열로 제작된 두 몰드 모두 Roof 부와 Base 부 사이의 평균거리 1.5mm로 제작하여 각 몰드 별로 성형 된 PDMS의 두께가 평균거리인 1.5mm와 수치적으로 어느 정도의 차이를 보이는지를 측정하고 그 결과를 분석하였다. Fig.
- 3D 프린팅 공정의 자유로운 형상 제작이 가능하다는 이점은 3D 스캐닝을 통하여 얻은 데이터를 기반으로 사람의 신체 표면의 임의적인 곡면을 가지는 PDMS 성형 몰드의 제작을 가능하게 하며, 이는 외력이나 변형에 의해 쉽게 파손되지 않으며 신체와의 보다 밀접한 접촉을 이룰 수 있는 신체 부착 센서의 제작을 가능하게 한다. 이러한 PDMS 성형 몰드를 사용한 PDMS의 제작은 성형 몰드를 페트리 접시의 안쪽에 위치시킨 후 액체 상태의 PDMS를 실제적인 성형이 일어나는 몰드의 Roof부와 Base부 사이의 틈을 모두 메울 수 있는 수준까지 부은 뒤 약 60℃의 오븐에서 4시간 이상의 고형화를 통해 제작을 진행한다. Fig.
- 이와 같이 제작된 몰드를 사용하여 PDMS를 제작하게 될 경우 몰드의 이형 과정에서 몰드와 PDMS간의 부착력으로 인하여 이형이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 다수 발생하게 된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 PDMS 성형몰드의 내 외부 표면에 패릴린 코팅(parylene coating)작업을 수행하여 몰드의 표면 윤활성을 높여 이형 과정에서 발생할 수 있는 몰드와 PDMS 간의 부착력으로 인한 문제를 방지하였다.
- 각 소재의 밀도는 시편의 질량을 측정하여 관계식을 통하여 구하였고, 각 소재의 물성은 인장실험을 통하여 획득하였으며, 인장시험에 사용된 시편의 규격은 플라스틱 소재인 Verowhite는 ASTM D638(6) 규격을 사용하여 제작하였고 고무 유사성 재료인 나머지 3가지 소재에 대해선 ASTM D412(7) 규격을 사용하여 3D 프린팅을 통해 인장시편을 제작하였다(8) .인장실험의 변형속도는 0.001/sec이며 변형 측정에는 ARAMIS를 사용하여 측정 및 분석한 뒤 각 소재 별 응력-변형률 선도를 획득하였다.
- 몰드를 이용한 PDMS의 제작 공정은 다음과 같다. 페트리 접시의 중앙부에 PDMS 성형 몰드를 배치한 후 액체상태의 PDMS를 실제적인 성형이 일어나는 몰드의 상단부와 하단부 사이의 틈을 모두 채울 수 있을 만큼 부은 뒤 몰드의 상단부를 덮어 PDMS의 형태를 잡아 준 뒤 고형화를 진행한다. 고형화는 60℃의 온도에서 최소 4시간 이상 유지하며 고형화를 진행한다.
- 2와 Bridge부를 포함한 총 3부분으로 나누어 해석을 진행하였다. 해석상에서 각 소재들의 배열에 대한 경우의 수는 모델링 상 3부분으로 나누어진 각 부분들에 대하여 3가지 소재들에 대한 조합으로 총 3*3*3=27가지의 소재 배열에 대하여 해석을 진행하고 결과 값들을 정리 및 분석하였다. 소재 배열에 대한 총 27가지 조합과 해석에 대한 결과 값들은 Table 1에 나타나 있다.
- 2, 3, 4의 3가지 소재만을 사용하여 해석을 진행하였다. 해석에 사용된 요소의 종류는 Tetra mesh이며, 연신율이 높은 고무 유사성 소재를 사용하는 해석이므로 Hyper elastic에서 Mooney-Rivlin 조건을 적용하여 해석을 진행하였다. 해석상에 사용된 요소의 개수는 84,000개이고 128,000개의 절점을 포함하고 있다.
- 해석을 통하여 선정된 소재 배열인 case 5의 PDMS 성형 몰드와 기존에 사용되던 case 4 소재 배열의 PDMS 성형 몰드와의 비교실험을 진행하였다. 실험에 사용된 PDMS 성형 몰드는 case 4와 case 5의 소재 배열로 제작된 두 몰드 모두 Roof 부와 Base 부 사이의 평균거리 1.
대상 데이터
- 7의 (a)와 같이 제작 하였다. Base부와 Post부를 제외한 Roof부와 Bridge부의 경우 몰드의이형이 발생하는 부분으로, 유연성이 없는 경질의 플라스틱 재료인 Mat.1은 적합하지 않으므로 해석상에서 제외하고 유연성을 가지는 재료인 Mat.2, 3, 4의 3가지 소재만을 사용하여 해석을 진행하였다. 해석에 사용된 요소의 종류는 Tetra mesh이며, 연신율이 높은 고무 유사성 소재를 사용하는 해석이므로 Hyper elastic에서 Mooney-Rivlin 조건을 적용하여 해석을 진행하였다.
- 전체 27가지 case 중 20%대의 변형률 비를 보인 것은 case 3, 4, 5 의 3가지 경우이다. 단일소재만으로 제작된 몰드들의 결과 값을 기준으로 가장 낮은 변형률 비를 보인 case 25의 34.6%보다 낮은 변형률 비를 보이며 그 중에서도 20%대의 변형률 비를 보이는 case 3, 4, 5의 3가지를 PDMS 성형 몰드의 이형과정 중 Roof부와 Bridge부에 발생하는 변형에 대하여 가장 적합한 소재 배열을 가지는 case들로 선정하였다.
- 해석과 실험에 사용된 소재는 총 4가지로 STRATASYS 사의 3D 프린터인 OBJET 500 CONNEX 3에서 사용 가능한 소재 중에서 선정하였다. 소재의 선정 기준은 소재의 유연성과 단단한 정도에 따른 해석상의 경향을 파악할 수 있도록 선정하였다.
- 해석에 사용된 요소의 종류는 Tetra mesh이며, 연신율이 높은 고무 유사성 소재를 사용하는 해석이므로 Hyper elastic에서 Mooney-Rivlin 조건을 적용하여 해석을 진행하였다. 해석상에 사용된 요소의 개수는 84,000개이고 128,000개의 절점을 포함하고 있다. 해석 상 여러 소재의 적용을 위하여 Fig.
성능/효과
- 10은 이형 해석에서 변형률 비를 기준으로 가장 좋은 값을 보인 case 3, 4, 5의 처짐량을 비교하여 나타낸 것이다. 3가지 소재배열 모두 20%대의 변형률 비를 보였지만 처짐 허용값인 0.0092mm~0.084mm의 값을 만족하는 배열은 case 5임을 확인할 수 있다.
- 3의 응력-변형률 선도와 인장실험 중 ARAMIS를 통해 관측한 인장시편의 변형률을 나타낸 것이다. Mat.3의 극한 강도는 1MPa 수준으로 Mat.2의 1/5 수준의 값을 보였지만 약 45%의 최대 변형률로 Mat.2보다 더 높은 값을 보임을 확인하였으며 이는 마찬가지로 Roof부와 Bridge부에의 적용이 가능한 수준으로 판단하였다.
- 4의 응력-변형률 선도와 인장실험 중 ARAMIS를 통해 관측한 인장시편의 변형률을 나타낸 것이다. Mat.4는 최대 변형률 50% 수준으로 선정된 소재 중 가장 높은 값을 보였지만 극한강도는 0.3MPa로 가장 낮은 값을 보임을 확인할 수 있었다. 이는 PDMS 몰드에서 변형이 발생하는 부분 중 Bridge부에의 적용은 가능하다고 판단하였지만 처짐이 발생할 수 있을 것으로 보여 Roof부에의 적용은 부적합하다고 판단하였다.
- 5mm의 간격을 두고 15 지점에서 두께 측정을 진행하였다. 기존에 사용되던 PDMS 성형 몰드의 소재 배열인 case 4의 배열로 성형 된 PDMS의 두께 분포는 대체적으로 평균거리인 1.5mm보다 더 낮은 값을 나타내었으며 총 15 지점에서의 평균 두께 1.252mm의 값을 보였으며, 목표 값과 0.248mm의 차이를 나타내었다. 해석을 통하여 선정된 case 5의 소재 배열로 제작된 PDMS 성형 몰드로 제작된 PDMS의 경우 두께분포가 평균 값과 비슷하거나 높은 값을 나타내었으며 총 15 지점에서의 평균 두께 1.
- Post 부는 Base 부에서 Roof 부를 지탱해주는 부분으로 Base 부와 동일한 소재를 사용한다. 마지막으로 Bridge 부는 Roof 부와 Base 부를 이어줌과 동시에 이형에 관여하는 부분으로 PDMS의 성형성에는 크게 영향을 끼치지 않으나 이형이 원활하게 진행 될 수 있을 정도의 유연성을 가지는 Fully-flexible 소재를 사용하는 것이 적합하다.
- 몰드에 나타낸 전체 소재 배열 중 case 25, 26, 27은 단일 소재만으로 제작된 PDMS 성형 몰드에 대한 해석이며 해석에 사용된 소재 중 가장 무르고 유연성이 좋은 소재인 Mat.2에 대하여 34.6%의 값을 보였고, 고무 유사성 재료 중 가장 단단하고 유연성이 적은 소재인 Mat.4에 대하여 65.7% 값을 보였다. 전체 27가지 case 중 20%대의 변형률 비를 보인 것은 case 3, 4, 5 의 3가지 경우이다.
- 몰드의 이형 해석과 자중에 의한 처짐 해석의 결과 값들을 기준으로 선정한 허용 값을 만족하는 case들에 대하여 두 해석의 각각의 허용 값인 20%대의 변형률에 대한 비와 0.0092mm~0.084mm의 처짐 값을 모두 만족하는 경우는 case 5로 나타났다. case 5의 경우 Bridge 부는 Mat.
- 0580mm로 나타났다. 몰드의 이형 해석에서 case 5의 결과 값을 단일 소재로만 제작한 PDMS 성형몰드인 case 25, 26, 27과의 변형률 비를 비교한 결과로부터 단일 소재만으로 제작된 몰드보다 각 부분별로 수행하는 동작을 고려하여 최적의 소재를 적용한 몰드가 해석상에서 더 좋은 값을 보임을 확인할 수 있었다. Fig.
- 5mm 의 약 1/5 수준의 값으로 PDMS의 성형에 있어 영향을 끼칠 수 있는 값으로 판단 되었다. 본 해석의 결과 값을 기준으로 case 27의 0.0092mm 와 case 26의 0.084mm 의 사이 값들을 허용 값으로 설정하였고 총 27가지의 소재 배열 중 case 5, 6, 7, 8, 13, 14, 15, 16, 21, 22, 23, 24, 26, 27의 14가지 경우가 허용 값을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
- 3448mm의 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 CATIA를 이용하여 모델링한 PDMS 성형 몰드의 Roof부와 Base부 사이의 평균 틈으로 설정한 1.5mm 의 약 1/5 수준의 값으로 PDMS의 성형에 있어 영향을 끼칠 수 있는 값으로 판단 되었다. 본 해석의 결과 값을 기준으로 case 27의 0.
- 063mm의 차이를 나타내었다. 이러한 실험 결과값은 PDMS 성형 몰드의 부분 별 최적의 소재 배열을 통하여 PDMS의 성형에 있어 보다 나은 결과를 얻을 수 있음을 보여주었다.
- 2, 3, 4의 3가지 소재들의 조합으로 총 27가지 소재 배열에 대하여 진행하였고, 해석의 결과값으로는 인장시험을 통해 얻은 각 소재의 파손이 발생하는 변형률에 대한 최대 변형률의 비를 구하였다. 이형 해석 결과 몰드에서 나타난 최대 변형률은 대부분 Roof부와 Bridge부의 연결 지점과 Bridge부와 Base부의 연결 지점에서 나타났다. 이는 몰드의 이형과정에서 Roof부가 위로 들어올려지는 과정을 수행할 때 이를 지탱하며 함께 변형이 일어나는 연결부인 Bridge부에서 많은 변형이 일어난 것으로 판단되었다.
- 소재 배열의 조합은 몰드의 이형 해석과 마찬가지로 27가지 소재 배열에 대하여 진행하였고, 해석의 결과 값으로는 자중에 의한 Roof 부의 처짐량을 구하였다. 처짐 해석 결과 Roof부의 모든 구간에서 처짐이 발생하였고, 그 중 가장 많은 처짐을 보인 구간은 Roof부의 가운데 부분임을 확인할 수 있었다. 이는 Bridge부와 Post부로 지지되는 Roof부의 양 끝단에 비해 상대적으로 지지력이 약한 중앙부에서 가장 많은 처짐이 발생한 것으로 판단되었다.
- 248mm의 차이를 나타내었다. 해석을 통하여 선정된 case 5의 소재 배열로 제작된 PDMS 성형 몰드로 제작된 PDMS의 경우 두께분포가 평균 값과 비슷하거나 높은 값을 나타내었으며 총 15 지점에서의 평균 두께 1.563mm의 값을 보였으며, 목표 값과 0.063mm의 차이를 나타내었다. 이러한 실험 결과값은 PDMS 성형 몰드의 부분 별 최적의 소재 배열을 통하여 PDMS의 성형에 있어 보다 나은 결과를 얻을 수 있음을 보여주었다.
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