Recently, FDM-type 3D printer technology has been developed, and efforts have been made to improve the output formability and characteristics further. Through this, 3D printers are used in various fields, and printer technologies are suggested according to usage, such as FDM, SLA, DLP, and SLM. In p...
Recently, FDM-type 3D printer technology has been developed, and efforts have been made to improve the output formability and characteristics further. Through this, 3D printers are used in various fields, and printer technologies are suggested according to usage, such as FDM, SLA, DLP, and SLM. In particular, the FDM method is the most widely used, and the FDM method technology is being developed further. The characteristics of the output are produced by the FDM-type 3D printer, which is determined by various factors, and particularly the perspective of the Inter-Layer Fill Factor, which is the volume ratio of the laminated material that exerts a direct influence. In this study, the Inter-Layer Fill Factor is theoretically obtained by presenting the internal space between each layer according to the laminate thickness as a cross-sectional shape model, and the cross section of the actual laminated sample is compared with the theoretical model through experiments. Then, the equation for the theoretical model is defined, and the strength change according to each condition (tensile strength of material, reduction slope, strength reduction rate, and output strength) is confirmed. In addition, we investigated the influence on the correlation and strength between laminate thickness and the Inter-Layer Fill Factor.
Recently, FDM-type 3D printer technology has been developed, and efforts have been made to improve the output formability and characteristics further. Through this, 3D printers are used in various fields, and printer technologies are suggested according to usage, such as FDM, SLA, DLP, and SLM. In particular, the FDM method is the most widely used, and the FDM method technology is being developed further. The characteristics of the output are produced by the FDM-type 3D printer, which is determined by various factors, and particularly the perspective of the Inter-Layer Fill Factor, which is the volume ratio of the laminated material that exerts a direct influence. In this study, the Inter-Layer Fill Factor is theoretically obtained by presenting the internal space between each layer according to the laminate thickness as a cross-sectional shape model, and the cross section of the actual laminated sample is compared with the theoretical model through experiments. Then, the equation for the theoretical model is defined, and the strength change according to each condition (tensile strength of material, reduction slope, strength reduction rate, and output strength) is confirmed. In addition, we investigated the influence on the correlation and strength between laminate thickness and the Inter-Layer Fill Factor.
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문제 정의
3에서 하늘색으로 표시한 층간 내부 빈 공간을 제외한 적층 재료면적의 비율인 층간 충진율 또한 변화되어 재료의 물성 치 및 특성이 달라질 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 세 가지 타입으로 제시한 각 모델별 층간 충진율을 이론적으로 구하고 실제 적층된 시료를 절단하여 층간 충진율을 계산한 뒤 이론모델과 비교, 검토하고자 한다. 또한 적층두께와 층간 충진율과의 상관관계 및 층간 충진율이 강도에 미치는 영향을 검토하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 층간 충진율(充塡率)이 강도에 미치는 영향을 검토하고자 하였다. 우선 적층 두께에 따른 층간 충진율의 변화를 검토하기 위하여 일정한 노즐 구경에 따라 적층 두께를 변화시켰을 때 응고 후, 각 층간 내부의 빈 공간과 접촉면적간 형상을 나타내는 단면형상모델을 제시하였다.
따라서 본 연구에서는 세 가지 타입으로 제시한 각 모델별 층간 충진율을 이론적으로 구하고 실제 적층된 시료를 절단하여 층간 충진율을 계산한 뒤 이론모델과 비교, 검토하고자 한다. 또한 적층두께와 층간 충진율과의 상관관계 및 층간 충진율이 강도에 미치는 영향을 검토하고자 한다.
제시한 모델을 사용하여 적층두께를 변화시켰을 때 층간 충진율을 이론적으로 구하였으며 적층된 시료를 절단하여 층간 충진율을 계산하고 이론모델과 비교, 검토하였다. 또한 적층두께와 층간 충진율과의 상관관계 및 층간 충진율이 강도에 미치는 영향을 검토하였다.
본 연구에서는 층간 충진율(充塡率)이 강도에 미치는 영향을 검토하고자 적층두께에 따른 층간 충진율의 변화를 해석할 수 있는 단면형상모델을 제시하였다. 제시한 모델을 사용하여 적층두께를 변화시켰을 때 층간 충진율을 이론적으로 구하였으며 실험결과와 서로 비교 검토하였다.
그림에서 알 수 있는 바와 같이 두 가지 실험재 모두 적층두께가 증가하면 인장강도가 감소하는 경향을 나타낸다. 시험편은 모두 직선적으로 적층함에 따라 인장강도에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 적층두께 변화에 따른 층간 충진율 변화라고 생각되며 층간 충진율과 인장강도와의 관계 또한 검토하고자 한다.
적층초기단면형상인 원형을 응고 후에도 그대로 유지한다고 가정한 모델인 원형단면모델에서의 층간 충진율을 구해 보자.
제안 방법
4. 적층에 따라 단면에 빈 공간이 존재하는 일반적인 3D 프린팅 재료의 인장강도를 층간 충진율을 사용하여 추정할 수 있는 간편식을 다음과 같이 제안하고 효용성을 검정하였다.
본 절에서는 층간 충진율과 인장강도와 상관관계를 직접적으로 규명하기 위하여 두 가지 실험재에 대한 실험결과를 층간 충진율과 인장강도관계데이터로 정리하여 Fig. 12에 나타내었다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 PLA재 및 ABS재 모두 층간 충진율이 상승하면 인장강도는 선형적으로 증가한다.
실제 3D Printer로 제작된 시험편에서의 층간 충진율을 구하기 위해서는 시험편의 단면을 자른 뒤 Fig. 8에 나타낸 광학현미경과 Image J 프로그램을 사용해 측정할 면적에서 threshold 항목의 오차면적의 최소치를 선정한 뒤 검정색의 빈공간의 면적을 판별하여 해당 영역에서의 층간 충진율을 계산하는 방법을 사용하였다.
따라서 본 연구에서는 층간 충진율(充塡率)이 강도에 미치는 영향을 검토하고자 하였다. 우선 적층 두께에 따른 층간 충진율의 변화를 검토하기 위하여 일정한 노즐 구경에 따라 적층 두께를 변화시켰을 때 응고 후, 각 층간 내부의 빈 공간과 접촉면적간 형상을 나타내는 단면형상모델을 제시하였다.
적층 형상은 층간 충진율이 강도에 미치는 영향을 검토하기 위하여 기존의 Check 형상이 아닌 직선형으로 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 적층하여 시험편을 제작하였다.
본 연구에서는 층간 충진율(充塡率)이 강도에 미치는 영향을 검토하고자 적층두께에 따른 층간 충진율의 변화를 해석할 수 있는 단면형상모델을 제시하였다. 제시한 모델을 사용하여 적층두께를 변화시켰을 때 층간 충진율을 이론적으로 구하였으며 실험결과와 서로 비교 검토하였다. 또한 적층두께와 층간 충진율과의 상관관계 및 층간 충진율이 인장강도에 미치는 영향을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제시한 모델을 사용하여 적층두께를 변화시켰을 때 층간 충진율을 이론적으로 구하였으며 적층된 시료를 절단하여 층간 충진율을 계산하고 이론모델과 비교, 검토하였다. 또한 적층두께와 층간 충진율과의 상관관계 및 층간 충진율이 강도에 미치는 영향을 검토하였다.
가로×세로 해상도는 96DPI로 1인치 당 96개의 점이 분포됨을 의미한다. 즉, 25.4mm당 96pixel이며 광학현미경을 사용하여 시험편보다 40배 더 크게 확대시킨 화면 내에서 pixel 수로써 단위면적당 빈공간이 차지하는 비율과 재료가 차지하는 비율인 층간 충진율을 구하였다[6].
대상 데이터
본 논문에서 사용할 재질은 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 및 PLA(Poly Lactic Acid) 수지로 일반적으로 많이 쓰이는 프린터 재료 중 하나이다.
적층두께에 따른 강도 변화를 연구하기 위하여 x, z축 길이가 4.8mm, y축 길이가 100mm인 Fig. 6에 나타낸 인장시험용 시험편을 제작하였다.
이론/모형
본 실험에 사용한 3D Printer의 구동은 슬라이스 프로그램(Slice Program)을 사용하였다. 슬라이스 프로그램은 3D 모델링된 파일을 STL(Stereo Lithography) 확장자로 변형시킨 뒤 3D Printer가 인식할 수 있도록 G-Coding화 시키는 프로그램이라 할 수 있다.
성능/효과
1. 적층 시 용융되어 쌓이는 재료의 단면형상을 해석할 수 있는 둥근 사각형 단면모델을 제안하고 해석 결과와 Image J로 실제 분석한 실험데이터를 비교한 결과 ABS 및 PLA 재질에 관계없이 ±1% 내외로 매우 잘 일치하였다.
2. 적층 두께가 감소함에 따라 강도가 증가하는 원인을 층간 충진율의 변화로 해석하였으며 실험의 결과와 잘 일치하였다.
3. 적층 두께 감소에 따라 층간 충진율이 증가함을 이론적, 실험적으로 입증하였다. 실험데이터를 사용하여 선형 회귀분석으로 층간 충진율 100%시의 인장강도를 추정한 결과, 실제 재료의 물성 치보다 ABS의 경우 12.
5%로 일정한 값을 나타내어 실험결과와 배치됨을 알 수 있다. 그러나 본 연구에서 제안한 둥근 사각형모델은 실험결과와 매우 잘 일치함을 알 수 있다.
Table 4에는 간편식 (6)을 사용하여 추정한 인장 강도와 실험결과를 비교를 위하여 동시에 나타내었다. 두 가지 실험재의 적층두께에 따른 층간 충진율과 원 재료의 인장강도 값을 사용하여 추정한 적층재의 인장강도는 실험값과 오차범위 4.20% 이내로 잘 일치함을 보여 주고 있으며, 이는 적층된 재료의 인장강도를 간편식으로 사용하여 정확하게 추정할 수 있음을 나타낸다.
따라서 본 연구에서 제시한 둥근 사각형 단면모델에서 적층 두께가 변화하면 적층단위면적당 Fig. 3에서 하늘색으로 표시한 층간 내부 빈 공간을 제외한 적층 재료면적의 비율인 층간 충진율 또한 변화되어 재료의 물성 치 및 특성이 달라질 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 세 가지 타입으로 제시한 각 모델별 층간 충진율을 이론적으로 구하고 실제 적층된 시료를 절단하여 층간 충진율을 계산한 뒤 이론모델과 비교, 검토하고자 한다.
따라서 적층에 따라 단면에 빈 공간이 존재하는 일반적인 3D Printing재에서의 인장강도의 경우 기본소재에 비해 기본감소율이 약 11%라 볼 수 있으며, 강도의 감소 기울기 Y는 ABS의 경우 25.13, PLA의 경우 25.10로 거의 일치함을 볼 수 있다.
또한 실험데이터를 선형 회귀분석을 통해 층간 충진율 100% 때의 인장강도를 추정해보면 ABS의 경우 37.7MPa로 적층 전 인장강도에 비해 12.2%, PLA의 경우 54.2MPa로 9.6%가 낮게 추정되었다. 이는 하중을 받는 실단면적을 감소시키는 빈 공간의 존재와 빈 공간 존재에 따른 응력집중, 적층시 대기 중 불순물, 수분 및 열 변형으로 인한 기존 물성치의 변화에 따라 인장강도의 감소총량이 약 10.
또한 Table 3에는 3가지 단면형상모델을 사용하여 이론적으로 계산한 층간 충진율도 병기하여 나타내었다. 세 가지 이론모델 중 원형과 타원형모델은 적층두께에 상관없이 층간 충진율이 78.5%로 일정한 값을 나타내어 실험결과와 배치됨을 알 수 있다. 그러나 본 연구에서 제안한 둥근 사각형모델은 실험결과와 매우 잘 일치함을 알 수 있다.
적층 두께 감소에 따라 층간 충진율이 증가함을 이론적, 실험적으로 입증하였다. 실험데이터를 사용하여 선형 회귀분석으로 층간 충진율 100%시의 인장강도를 추정한 결과, 실제 재료의 물성 치보다 ABS의 경우 12.2%, PLA의 경우 9.6%로 작게 나타났다. 이는 하중을 받는 실 단면적을 감소시키는 빈 공간의 존재와 빈 공간 존재에 따른 응력집중, 적층 시 대기 중 불순물, 수분 및 열 변형으로 인한 기존 물성치의 변화에 따른 것으로 추정된다.
과 같이 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 앞의 연구 내용들을 종합하면 적층 두께 및 적층 방향이 강도 변화에 영향을 미침을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3D 프린팅 산업의 활용도는 어떻습니까?
4차 산업의 발전과 더불어 이와 관련된 아이템들이 주를 이루는 가운데 3D 프린팅 산업은 날로 성장하고 있으며 단순 초도품 생산뿐만 아니라 교육 및 단순 생산 및 디자인, 패션산업 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이뿐만 아니라 항공 우주공학 측면이나 복합소재 개발, 인체 친화적 소재를 통한 3차원 인공 부품 생산과 같이 고부가성이 짙은 산업으로 영역이 크게 확장되고 있다.
FDM 방식은 무엇입니까?
일반적으로 말하는 3D Printer의 경우, 본 연구에서 사용한 프린터와 같이 플라스틱을 물리적으로 녹여 한 층씩 쌓아 올라가는 방식인 FFF(Fused Filament Fabrication) 또는 FDM 방식이라고 할 수 있다. 이 Printing 기법은 3차원 구동에 따라 종류가 달라짐을 알 수 있으며, 흔히 많이 사용하는 구동 방식은 재료가 출력되는 노즐부가 x축으로 이동하고 재료가 적층되는 베드부가 y, z축으로 이동하는 Direct Mendel 방식을 따른다.
STL 파일의 특징은 무엇입니까?
STL 파일은 삼각형의 정점 좌표와 벡터에 의해 정의된 패치의 집합으로 입체를 표현시킨 데이터이다. 이러한 파일은 대다수의 3D Printer에서 사용하고 있는 가장 표준화된 파일 형식이라 할 수 있다.
참고문헌 (7)
Choi, W., Woo, J. H., Jeon, J. B., Yoon, S. S., “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.
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. J., Park, J. H., Lee, K. H., Lyu, M. Y., “Deposition Strength of Specimens Manufactured Using Fused Deposition Modeling Type 3D Printer,” Polymer(Korea), Vol. 40, No. 6, pp. 846-851, 2016.
Shin, G. S., Kweon, H. K., Kang, Y. G., "Analysis of Interlayer Filling Rate by Layer Thickness of FDM 3D Printer," Proceedings of the KSMPE Spring Conference, pp. 183-183, 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.
Shin, G. S., Kweon, H. K., Kang, Y. G., “The Influence of Experiment Variables on DLP 3D Printing using ART Resin,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 16, No. 6, pp. 101-108, 2017.
Shin, G. S., Kweon, H. K., Kang, Y. G., "Strength Change of FDM 3D Printer Material according to Layer Contact Surface," Proceedings of the KSMPE Spring Conference, pp. 184-184, 2018.
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