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고 용융점 소재의 압출적층성형을 위한 우수한 방열특성을 갖는 3차원 프린터 nozzle부 기구설계
Structural Design of 3D Printer Nozzle with Superior Heat Dissipation Characteristics for Deposition of Materials with High Melting Point 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.15 no.2, 2020년, pp.313 - 318  

김완진 (한밭대학교 스마트제조응용공학과) ,  이상욱 (원광대학교 기계설계공학부)

초록
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300도 이상의 높은 용융점을 갖는 소위 엔지니어링 플라스틱은 기구적인 강성과 내화학성 및 마찰 및 마모성능이 우수하여 여러 산업에서 금속을 대체하는 소재로 각광받고 있다. 본 연구에서는 용융적층모델링 공법을 기반으로 하는 3D 프린터에서 높은 용융점을 갖는 엔지니어링 플라스틱을 조형할 수 있도록 방열특성이 우수한 3D 프린터 nozzle부의 구조를 설계하고 이를 해석적으로 검증하였다. 높은 온도로 가열되는 heat block과 필라멘트가 이송되는 nozzle상부 간의 단열 및 신속한 냉각을 위하여, 열전도계수가 낮은 열차단부(heat brake부)를 2중으로 구성하였고, 열차단부에 생성되는 열이 냉각핀을 통해 대기에 의해 냉각되는 구조를 적용하였다. 개선된 nozzle부 구조설계를 통해 종래 3D 프린터의 BCnozzle과 비교할 때, heat sink부에서의 온도를 50% 가량 낮출 수 있었으며, heat block에 직접적으로 연결된 heat brake부 최종단의 정상상태 온도를 14% 가량 낮출 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Since the engineering plastics having a melting point of higher than 300 degrees have a high mechanical rigidity, chemical resistance, friction and abrasion performance, those are being highlighted as metal replacement materials in various industries. In this study, 3D printer nozzle with excellent ...

주제어

#엔지니어링 플라스틱   #용융적층모델링   #방열   #3차원 프린터  

표/그림 (8)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 등가 열전달 계수를 사용하여 3차원 프린터 nozzle의 열전달 해석하였으나 Hot-End의 온도가 230°C인 보급형 FDM 3D 프린터의 일반적인 nozzle헤드에 대한 열분포 해석을 수행하였으며[4-5], Hot-End가 최대 300°C 까지 가열되는 경우 냉각 팬의 유동특성을 고려한 열유동 연계 해석을 수행하였으나[6], nozzle 해석 모델을 정의함에 있어 필라멘트 주입을 원활하게하기 위해 사용되는 테프론 튜브가 삽입되는 구조를 고려하였는데, Hot-End가 300°C 이상으로 가열되는 경우, 녹는점이 300°C인 테프론 튜브를 이용하여 필라멘트의 주입성을 제고하는 것이 불가능하기 때문에 테프론 튜브가 없는 보다 실제적인 구조를 고려한 열해석이 요구된다. 본 연구에서는 Heat block이 PEEK, PC, PAEK 등을 용융할 수 있는 350°C 로 가열되는 경우, 필라멘트 주입이 시작되는 nozzle의 상부의 온도를 100°C 이하로 구현할 수 있는 nozzle 구조를 제시하고 종래의 보급형 FDM 3D 프린터에 적용되고 있는 nozzle의 열해석 결과와 비교함으로써 개선된 방열특성을 검증하고자 한다. 본 논문에서는 2장에서 종래 일반적인 3D 프린터에 널리 적용되고 있는 BCNozzle이 프린팅을 위해 가열되는 경우에 대한 열해석을 수행하였고, 3장에서 고 용융점 플라스틱을 이용하는 경우 BCNozzle의 열분포특성에서 나타난 문제점을 해결하기 위한 Nozzle부 구조설계와 해당 모델에 대한 열분포 특성을 해석하였다.
  • 본 연구에서는 용융점이 300°C 이상인 PEEK, PC, PAEK 등을 용융할 수 있는 FDM 3D 프린터 nozzle부의 기구설계 및 열분포 해석에 대한 연구를 수행하였다. Heat block이 350°C 로 가열되는 경우, filament의 용융이 Nozzle inlet에서 부터 일어나도록 하며 Heat brake 상부의 온도를 100°C 이하로 낮추는 것을 목표로 nozzle구조를 설계하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
압출적층조형 방식이란? 최근 활발하게 보급된 3D 프린팅 기기는 고형화된 필라멘트 형태의 수지를 용융점 이상으로 가열 및 압출하면서 적층하는 압출적층조형(Fused Deposition Modeling, FDM) 방식과 광 개시제가 함유된 포토폴리머에 특정한 에너지 밀도 이상의 광 에너지가 입사되는 경우 발생되는 광중합반응을 통해 적층형으로 조형하는 광중합적층조형(Stereo Ligthography) 방식을 사용하고 있다[1]. Table 1에 FDM 방식의 3차원 프린터에 주로 적용되고 있는 필라멘트 재료를 나타내었다.
FDM 방식 3차원 프린터의 필라멘트 재료들은 최소 어느 온도 이상으로 가열되어야 하는가?  FDM 방식 3D 프린터를 이용하여 치수정밀도 및 기계강성이 우수한 중형 기계구조물 및 기계요소부품 등에 대한 소량 다품종 제작을 가능하기 위해서는 표 1에 나타낸 FDM 방식 3차원 프린터의 필라멘트 재료 중 엔지니어링급 폴리머 또는 고성능폴리머 계열에 해당하는 재료를 이용한 적층조형이 가능해야 한다. 이러한 재료는 대체로 300°C~ 340°C 사이의 용융 온도(Tm)을 가지므로, 프린터 nozzle의 Hot-End 온도가 최소한 350°C 이상으로 가열되어야 한다. 뿐만 아니라 이러한 재료의 유리전이온도(Tg)는 140°C~150°C 이므로 nozzle Hot-End에서 발생한 열이 nozzle 상부로 전달될 때 nozzle 상부의 온도가 유리전이온도 이하 로 유지되어야 한다.
가정 및 소규모 사업장에 보급된 FDM 기기에서 대표적으로 활용되는 필라멘트 재료들은? Table 1에 FDM 방식의 3차원 프린터에 주로 적용되고 있는 필라멘트 재료를 나타내었다. 가정 및 소규모의 사업장에 보급된 FDM 기기에서 대표적으로 활용되고 있는 필라멘트 재료로는 ABS(: Acrylonitrile butadiene styrene) 및 PLA(:Poly Lactic Acid)와 등이 활용되고 있는데 이러한 재료들은 탄성 및 높은 굴곡강성, 높은 영률(Young's modulus) 등을 가지고 있는 반면, 소량다품종 제품 생산에 있어 필수적으로 요구되는 높은 인장강도, 높은 경도 및 고내열성 등의 기계적인 특성은 낮은 단점을 갖고 있어, 3D 프린터를 활용하여 시제품이 아닌 실제 기계 등의 부품 및 의료용 보형물 등의 제품 구현에 어려움이 있다[2].
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참고문헌 (9)

  1. S. Choi and S. Hwang, "3D Printing Design for Minimizing Flection Phenomenon," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 12, Dec. 2014, pp. 1415-1420. 

    원문보기 상세보기 crossref

  2. E. Kim, "Development of a Multi-tool Carving Machine and a Machine Control Software," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 4, Aug. 2019, pp. 755-760. 

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  3. X. Deng, Z. Zeng, B. Peng, S. Yan, and W. Ke, "Mechanical Properties Optimization of Poly-Ether-Ether-Ketone via Fused Deposition Modeling," Materials, vol. 11, no. 216, Feb. 2018, pp. 1-11. 

  4. J. Park, M. Lyu, S. Kwon, H. Roh, M. Koo, and S. Cho, "Temperature Analysis of Nozzle in a FDM Type 3D Printer Through Computer Simulation and Experiment," Elastomers and Composites, vol. 51, no. 4, Dec. 2016, pp. 301-307. 

    원문보기 상세보기 crossref

  5. D. Shin, H. Lee, C. Lee, and K. Park, "Thermal Structural Coupled Numerical Analysis for Design of HighTemperature Extruder of FDM 3D Printers," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, vol. 24, no. 3, Mar. 2018, pp. 341-347. 

  6. C. Lee, H. Kim, J. Yu, and K. Park, "Thermal-Fluid Coupled Analysis of the Nozzle Part for the FDM 3D Printers Considering Flow Characteristics of Cooling Fan," J. Korean Soc. Precis. Eng., vol. 35, no. 5, May 2018, pp. 479-484. 

    상세보기 crossref

  7. R. Jerez-Mesa, J. A. Travieso-Rodriguez, X. Corbella, R. Busque, and G. Gomez-Gras, "Finite element analysis of the thermal behavior of a RepRap 3D printer liquefier," Mechatronics, vol. 36, June 2016, pp 119-126. 

    상세보기

  8. B. N. Turner, R. Strong, and S. A. Gold, "A review of melt extrusion additive manufacturing processes: I. Process design and modeling," Rapid Prototyping Journal, vol. 30, no. 3, Apr. 2014, pp. 192-204. 

  9. Y. Ko, "A Study about the Modelling of Thermoelectric Cooler and the Thermal Transfer Analysis," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 11, Nov. 2014, pp. 1291-1296. 

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