FDM 3D printers have become widespread, and investment in the 3D printer industry is increasing. Therefore, many 3D printers are released and the functions of products are emphasized. However, to lower unit prices, open-type 3D printers are sold in kit form, and their performance is very low. If the...
FDM 3D printers have become widespread, and investment in the 3D printer industry is increasing. Therefore, many 3D printers are released and the functions of products are emphasized. However, to lower unit prices, open-type 3D printers are sold in kit form, and their performance is very low. If the 3D printer has many heat sources and is sealed, there is the possibility that the main accessories (the main board, power supply, and motor) will be damaged by trapped heat. At the same time, if the ambient temperature is low due to the properties of the material, the output quality deteriorates. In this study, we analyzed the temperature rise of the main accessories and the quality of the output by the heat bed when a chamber was added to an open-type 3D printer. We also compared the quality of the output due to the air flow with the temperature rise of the main accessories. Moreover, we found the optimal value. As a result of the quality analysis, it was finally confirmed that the case with the chamber at $95^{\circ}C$ was the best for the printing condition. In addition, in the absence of the chamber, the bending of the specimen was found to be large, and in the case of the chamber, the degree of bending was slightly decreased by 0.05 mm.
FDM 3D printers have become widespread, and investment in the 3D printer industry is increasing. Therefore, many 3D printers are released and the functions of products are emphasized. However, to lower unit prices, open-type 3D printers are sold in kit form, and their performance is very low. If the 3D printer has many heat sources and is sealed, there is the possibility that the main accessories (the main board, power supply, and motor) will be damaged by trapped heat. At the same time, if the ambient temperature is low due to the properties of the material, the output quality deteriorates. In this study, we analyzed the temperature rise of the main accessories and the quality of the output by the heat bed when a chamber was added to an open-type 3D printer. We also compared the quality of the output due to the air flow with the temperature rise of the main accessories. Moreover, we found the optimal value. As a result of the quality analysis, it was finally confirmed that the case with the chamber at $95^{\circ}C$ was the best for the printing condition. In addition, in the absence of the chamber, the bending of the specimen was found to be large, and in the case of the chamber, the degree of bending was slightly decreased by 0.05 mm.
본 논문은 개방형 프린터에 Chamber를 설치하여 내부 온도를 일정하게 유지시키고 주 열원인 Bed부 의 온도를 측정하여 Chamber 내 Main Board와 Motor 및 Power Supply 위치에서의 온도상승과 각 외부조건에 의한 출력물의 품질과의 관계를 분석하 고자한다.
가설 설정
외부 경계조건으로 20℃로 유지된 실내에서 21% 습도로 유지하였을 때 같은 제품(Mendel i2 Model) 으로 33 분 동안 Printing한다는 전제로 실험하였다.
제안 방법
본 연구에서는 개방형 프린터에 Chamber를 추가 하였을 때 내부 온도를 일정하게 유지시켰을 경우, 주 열원인 Bed 부로 인해 주요 부속품 온도 상승 및 출력물의 품질 측정을 하였으며 다음과 같은 결 론을 얻었다.
대상 데이터
실험을 위해 FDM 방식 3D 프린터에서 제작할 시편을 Modeling한다. 측정을 위해 50×50 mm 2 의 2t 판형을 Printing 한다.
실험을 위해 FDM 방식 3D 프린터에서 제작할 시편을 Modeling한다. 측정을 위해 50×50 mm 2 의 2t 판형을 Printing 한다. 이 때 슬라이스 프로그램에 입력할 입력 값으로는 Table 1과 같다.
데이터처리
Chamber 유무에 따른 내부온도 분포가 3D 프린 터에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위해 온도 에 민감한 Main Board, Power Supply, Motor가 Chamber로 인한 온도의 상승 폭을 열화상 카메라 를 통해 측정한다.
이에 Chamber 및 Fan (SST-AP182 Model)을 통해 공기를 강제로 움직였을 때의 공기 유동 장을 파악하여 주요 부속품들의 위치를 선정할 수 있어야 한다. 구조가 복잡하여 단순한 이론식으로 구하기 힘든 3D 프린터 내 공기 유동을 확인하기 위하여 ANSYS Workbench를 통해 결과를 도출하고자 한다. ;이 때 필요로 하는 Chamber 내 유입 조건인 Reynolds 수를 결정하기 위해 정상상태에서의 이 상기체라 할 때, 1 기압에서 물성 치 막 온도를 Tf 라 정의한다면 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
휨 상태를 측정하기 위해 Table 2와 같이 ABS 재질로 Printing하여 출력된 시편을 각 실험조건 별로 비교하고자 한다. 이 때 시편 번호는 Chamber의 유무를 나타내며 시편1은 Chamber가 없을 경우, 시편2는 Chamber가 있었을 경우를 의 미한다.
성능/효과
7% 로 덜 낮아짐을 알 수 있다. 이는 유동 해석을 통해 각 영역에서 0.78 m/s 및 1.5 m/s의 공기 유동으로 인한 온도 하락을 의미하며, Power Supply의 경우 유량이 Main Board에 비해 상대 적으로 적어 부속품을 충분히 식히지 못한 것 으로 보인다.
1. Chamber가 없었을 경우, 큰 폭으로 시편의 휨 을 알 수 있었고, Chamber가 있었을 시 출력한 시편의 경우 0.05 mm 차로 휨 정도가 약간 떨 어짐을 알 수 있다. 이 때 Chamber 내로 강제 대류를 위해 Fan을 사용한 결과, Bed 온도를 달리한 75℃와 95℃의 경우 Bed 온도가 높은 95℃에서의 시편의 휨이 Chamber가 없었을 때 보다 20% 덜 휨을 측정을 통해 확인 할 수 있 었고, Chamber가 없었을 때의 시편을 육안으로 확인하였을 때 품질 또한 떨어짐을 알 수 있다.
3. 공기 유동에 의한 주요 부속품의 온도하락을 Fig. 18을 통해 확인하였으며, 이에 따른 품질 비교 값인 Table 3과 함께 분석한 결과, Bed 온 도 95℃에서의 Chamber가 있을 경우가 Printing 조건에 가장 적합함을 최종적으로 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3D프린터의 밀폐를 생략하는 경우 그 이유는 무엇인가?
저가형 프린터 중 Kit형 제품과 같이 조립식인 프린터는 내부가 열려있는 개방형 3D 프린터이다. 이를 제외한 STRATASYS나 중소기업 제품들은 밀 폐형이 많은데 프린터 자체에 열원이 많고 밀폐시킬 시 유동되지 않는 열로 인해 주요 부속품에 이상이 발생할 수도 있으며, 제품 단가가 올라가기 때문에 밀폐를 생략하는 경우가 많다. 또한 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 수지와 같이 온도에 따른 성형수 축 [3] 이 존재할 경우 주변 온도를 일정하게 유지시 켜야 하지만 주위 온도가 내려가게 되면 출력물이 냉각되면서 수축되는 현상을 볼 수 있다.
FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린터는 무엇인가?
FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린터는 열 가소성 물질을 노즐 안에서 녹여 얇은 필름 형태로 출력하여 적층하는 방식인 용융적층조형술 [4] 로 비 교적 구하기 쉽고 프린터 자체나 사용재료가 값이 비싸지 않아 일반인들이 쉽게 구할 수 있다. 다만 단조로운 색상과 적층이 보여서 후가공이 필요하고 플라스틱을 녹여서 만들다보니 노즐이 막히거나 외 부온도에 민감하여 Model이 비정상적으로 제작될 수 있기 때문에 Park 등의 정밀 제작이 가능한 FDM방식의 3D 프린터 개발 [5] 과 Seol 등의 FDM 방
열화상 카메라를 사용할 시 주의할 점은?
하지만 유리나 빛이 반사되는 물체의 경우 비치 는 대상의 열을 측정하므로 주의가 필요하다. 또 한 물체 표면의 온도를 측정하므로 열원의 전도에 의한 온도 측정은 가능하나 열대류를 직접적으로 볼 수 없으며 장애물이 있을 경우, 뒤에 열원이 있어도 가려져서 볼 수 없다.
참고문헌 (10)
Jeong, H. J., "Fourth Industrial Revolution, Why 3D printers get attention," ZDNet Korea, March, 2017, from http://www.zdnet.co.kr/news/news_view.asp?artice_id20170315153729
Kim, W. S., "Open Source Hardware Design Using 3D Printer," Korea Design Knowledge Society, Vol. 26, pp. 113-124, 2013.
Lee, M., Kim, H., Lyu, M. Y., “A Study on the Warpage of Glass Fiber Reinforced Plastics for Part Design and Operation Condition: Part 1. Amorphous Plastics,” Polymer(Korea), Vol. 36, No. 5, pp. 555-563, 2012.
Seoung, Y. H., “A Study of 3D Printing of Self-Customization Cast by Using Fused Deposition Modeling Technique of ABS Resin,” Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 16, No. 9, pp. 6019-6026, 2015.
Park, T. J., Kim, B. C., Lee, W. S., Park, S. J., "Development of FDM type 3D Printer Possible of Precision Manufacturing," Proceedings of the KSMPE Spring Conference, pp. 30-30, 2018.
Seol, K. S., Shin, B. C., Zhang, S. U., “Fatigue Test of 3D-printed ABS Parts Fabricated by Fused Deposition Modeling,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 17, No. 3, pp. 93-101, 2018.
Kang, Y. G., Lee, T. W., Shin, G. S., “The Influence of Experiment Variables on 3D Printing using ABS Resin,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 16, No. 2, pp. 94-101, 2017.
Park, S. H., Lee, J. H., Kim, J. M., “Development of Heating System for Ensuring Accuracy of Output for Open 3D Printer,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers-A, Vol. 41, No. 6, pp. 477-482, 2017.
Yunus, A. Cengel, "Introduction to HEAT TRANSFER," McGraw-Hill Korea, 2nd Edition, pp. 312-313, 2010.
Kang, Y. H., Kim, M. K., Park, W. G., “A Study on the CFD Analysis and Estimation of the Energy Efficiency of Cryogenic Chamber for Extreme Climate Test,” Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 28, No. 2, pp. 81-88, 2016.
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