[논문]진공함침을 적용한 바인더젯 3D 프린팅 출력물의 성능 평가

박광민; 박수현; 이봉춘; 노영숙

doi:10.11112/jksmi.2020.24.2.103

[국내논문] 진공함침을 적용한 바인더젯 3D 프린팅 출력물의 성능 평가
Evaluation of Binder jetting 3D Printed Specimens Using Vacuum Impregnation 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.2, 2020년, pp.103 - 110

박광민 ((재)한국건설생활환경시험연구원, 건설기술연구센터) , 박수현 ((재)한국건설생활환경시험연구원, 건설기술연구센터) , (재)한국건설생활환경시험연구원, 내진센터) , 이봉춘 (재)한국건설생활환경시험연구원, 내진센터) , 노영숙 (서울과학기술대학교 건축학부 건축공학전공)

초록
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본 연구는 바인더젯 3D 프린팅 출력물의 강도증진을 위하여 진공함침 후처리 공정의 적용성을 검토하였다. 또한, 출력물 크기에 따른 강도발현 한계를 확인하기 위하여 10 mm, 20 mm, 30 mm 및 40 mm 큐빅 출력물을 대상으로 침투성, 부피밀도 및 압축강도를 확인하였다. 그 결과, 진공함침 후처리 공정에서 최대압력이 증가함에 따라 후처리 용액이 출력물 내부까지 침투하게 되고 이에 따라서 침투면적률이 개선되는 것을 확인하였다. 출력물 압축강도율과 후처리 용액 침투면적률은 보정결정계수 0.992의 지수함수 형태의 상관관계를 나타내고 있다. 또한, 부피밀도가 증가하였으며 이는 후처리 용액이 내부까지 침투한 것으로 유추할 수 있다. 결론적으로 바인더젯 3D 프린팅 출력물의 강도증진을 위해서는 출력물 내부까지 후처리 용액을 침투하는 것이 필수적이며, 이를 위한 유효한 방법으로써 진공함침을 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the applicability of the vacuum impregnation post-processing to enhance the strength of binder jet 3D printed output. In addition, permeability, bulk density, and compressive strength of 10 mm, 20 mm, 30 mm, and 40 mm cubic specimens were examined to check the strength limit depending on the 3D prined output size. In result, as the maximum pressure increased, the post-processing storage solution permeated to the inside of the 3D printed sample and thus the permeation area ratio was improved. The compressive strength and the permeation area indicate the correlation between the exponential function of the adjusted R-square factor 0.992. In addition, the bulk density was increased, which can be inferred as the post-processing solution permeated to the inside. In conclusion, in order to enhance the compressive strength of the binder jet 3D printed output, it is essential to permeate the post-processing solution to the inside of the output, and vacuum impregnation can be proposed as an effective method.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Schematic illustrations of Binder Jetting 3D Printing process
그림 Photo 1 Binder Jetting 3D Printed Specimens after post-processing
그림 Fig. 2 Concept of Post-processing using vacuum impregnation
표 Table 1 Physical properties of materials
표 Table 2 Physical properties of post-processing storage solution
표 Table 3 Image analysis of post-processing
그림 Fig. 3 Permeation performance of vaccum pressure
표 Table 4 Test results
그림 Fig. 4 Physical Properties of vaccum pressure
표 Table 5 Estimated volumetric content of post-processing
그림 Fig. 5 Relationship of permeation area and compressive strength ratio

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 BJ3DP 출력물 크기를 10 mm, 20 mm, 30 mm 및 40 mm 큐빅 시험체로 설정하고 후처리 용액의 침투 정도를 확인하였다. 또한, 진공함침법에 따른 침투 성능 개선 및 이에 따른 출력 시험체 압 축강도를 확인하는 것을 목표로 하고 있다.
본 연구는 바인더젯 3D 프린팅 출력물의 강도증진을 위하여 진공함침 후처리 공정의 적용성을 검토하였다. 또한, 출력물 크기에 따른 강도발현 한계를 확인하기 위하여 침투성, 부피밀도 및 압축강도를 확인하였다.

가설 설정

그러나 출력 물의 크기를 20 mm × 20 mm × 20 mm 큐빅 시험체에 한정되어 진행되고 있으며, 후처리 용액의 침투 정도 및 출력 시험체 크기에 따른 강도 증진에 대한 검토는 국내외에서 전무한 실정이다. BJ3DP 출력물이 커짐에 따라 강도 증진 후처리 용액이 출력물 내부까지 침투하지 않는 상황을 가정한다면, 동일한 후처리 방법을 적용하여도 출력물 크기가 커짐에 따라 압 축강도는 저하될 우려가 있다. 따라서 본 논문에서는 BJ3DP 출력물 크기를 10 mm, 20 mm, 30 mm 및 40 mm 큐빅 시험체로 설정하고 후처리 용액의 침투 정도를 확인하였다.

제안 방법

촬영 상황에 따른 영향을 최소화하기 위하여 동일한 환경 조건에서 휴대용 카메라를 사용하여 촬영하였고, 다음과 같이 이미지 프로세싱 기법을 활용하여 침투면적 및 깊이를 검토하였다. (1) 이미지를 8-bit Grayscale로 변환한다.
본 연구는 바인더젯 3D 프린팅 출력물의 강도증진을 위하여 진공함침 후처리 공정의 적용성을 검토하였다. 또한, 출력물 크기에 따른 강도발현 한계를 확인하기 위하여 침투성, 부피밀도 및 압축강도를 확인하였다.

대상 데이터

BJ3DP 출력물이 커짐에 따라 강도 증진 후처리 용액이 출력물 내부까지 침투하지 않는 상황을 가정한다면, 동일한 후처리 방법을 적용하여도 출력물 크기가 커짐에 따라 압 축강도는 저하될 우려가 있다. 따라서 본 논문에서는 BJ3DP 출력물 크기를 10 mm, 20 mm, 30 mm 및 40 mm 큐빅 시험체로 설정하고 후처리 용액의 침투 정도를 확인하였다. 또한, 진공함침법에 따른 침투 성능 개선 및 이에 따른 출력 시험체 압 축강도를 확인하는 것을 목표로 하고 있다.
KS F 2563 2종 고로슬래그미분말(Ground Granulated Blast Furnace Slag, GGBFS), KS L 5405 2종 플라이애시(Fly Ash, FA), 분말형 규산나트륨(SiO₂ 52.5 %, Na₂O 25.5 %, insoluble H2O 22.0 %, Sodium silicate, Na₂SiO₃) 및 수산화칼슘(Calcium hydroxide, Ca(OH)₂)을 특정 비율로 배합하였다. 본 실험에 사용한 원재료의 물리적 성질은 Table 1과 같다.
본 연구에서는 3D Systems사의 ProJet CJP360 프린터를 사용하였다. 출력 조건으로 레이어 높이(layer thickness)는 0.
후처리 용액과 잉크를 5:5의 용적 비율로 혼합하여 착색용액을 제작하고 3.3 후처리 진행 (1) ~ (3)에 준하여 10 mm, 20 mm, 30 mm 및 40 mm 출력물을 착색하였다. 후처리 과정에 서 발생할 수 있는 잉크 번짐을 최소화하기 위하여 안료 잉크를 선택하였으며 점도는 10 ± 0.
재령 8일(항온항습실 존치 1일 포함)에서 만능재료시험기 (INSTRON 50 kN)을 사용하여 재하속도 40 N/s로 압축강도를 측정하였다. 단, 본 논문에서는 Z-방향(적층 방향)에 한정 하여 측정하였다.
20 mm, 30 mm 및 40 mm 큐빅 출력물을 대상으로 4.1 침투성 이미지 프로세싱 기법에 따라 이진화 처리를 수행한 결과 를 Table 3에 표기하였다. 육안 판단 결과, 진공함침을 실시하지 않은 시편은 착색 용액이 출력물 내부까지 침투하지 않는 것을 확인하였다.

이론/모형

본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업“소형 건축물 및 비정형 부재 대상 3D 프린팅 설계, 재료 및 장비 개발(20AUDPB121595-05)”에 의해 수행하였다.

성능/효과

육안 판단 결과, 진공함침을 실시하지 않은 시편은 착색 용액이 출력물 내부까지 침투하지 않는 것을 확인하였다. 반면에 진공함침을 실시한 경우 최대압력 이 커짐에 따라 착색 용액의 침투면적 및 침투깊이가 개선되는 것을 확인하였다. 이를 정량적으로 분석하기 위하여 픽셀 단위로 침투면적률 및 침투깊이를 계산하였고 그 결과를 Table 4 및 Fig.
진공함침 미실시(Non vacuum impregnation)의 경우 20 mm, 30 mm 및 40 mm 큐빅 출력물의 침투면적률은 16.4 %, 9.5 % 및 15.9 %로 확인되었다. XY-면 침투깊이는 0.
62 mm 로 확인하였다. 결론적으로 진공함침 미실시와 비교해 침투 깊이가 개선되고 이에 따라서 침투면적률이 개선된 것을 의미한다. 0.
최대압력이 증가함에 따라 침투깊이가 개선되고 이에 따라 침투면적률이 개선된 것을 의미한다. 따라서 BJ3DP 출력물 의 강도증진을 위해 출력물 내부까지 후처리 용액을 침투하 는 방법으로 진공함침의 유효성을 확인할 수 있다.
결론적으로 최대압력이 증가함에 따라 부피밀도가 증가하는 결과가 나타났다. 이는 침투성의 결과와 마찬가지로 출력물 내부까지 후처리 용액이 침투한 것을 의미한다.
진공함침 미실시로써 상압에서 후처리 용액에 침지(Non vacuum impregnation)한 경우 10 mm, 20 mm, 30 mm 및 40 mm 큐빅 출력물의 압축강도는 1.72 MPa, 1.30 MPa, 1.19 MPa 및 1.19 MPa로 나타났다. 이는 침투깊이가 0.
최대압력 0.06 MPa 진공함침의 경우 10 mm, 20 mm, 30 mm 및 40 mm 큐빅 출력물의 압축강도는 13.52 MPa, 12.33 MPa, 6.50 MPa 및 4.14 MPa로 상압조건에 비해 786 %, 948 %, 546 % 및 348 % 증가하였다. 이는 침투깊이가 3.
최대압력 0.10 MPa 진공함침의 경우 10 mm, 20 mm, 30 mm 및 40 mm 큐빅 출력물의 압축강도는 19.87 MPa, 21.67 MPa, 19.39 MPa 및 14.62 MPa로 상압조건에 비해 1155 %, 1667 %, 1629 % 및 1229 % 증가하였다. 이는 침투깊이가 11.
상기 결과로부터 BJ3DP 출력물 압축강도는 후처리 용액의 침투면적률과 상관관계가 있는 것으로 판단된다. 침투면적률과 압축강도율의 상관관계를 Fig.
1) 진공함침 후처리 공정에서 최대압력을 증가함에 따라 침투깊이 및 침투면적률이 개선되었다. 바인더젯 3D 프 린팅 출력물의 강도증진을 위해 출력물 내부까지 후처 리 용액을 침투하는 방법으로 진공함침은 유효하다고 판단된다.
1) 진공함침 후처리 공정에서 최대압력을 증가함에 따라 침투깊이 및 침투면적률이 개선되었다. 바인더젯 3D 프 린팅 출력물의 강도증진을 위해 출력물 내부까지 후처 리 용액을 침투하는 방법으로 진공함침은 유효하다고 판단된다.
2) 최대압력 0.10 MPa 진공함침의 경우 XY-면 침투깊이는 15.90 mm이며, Z-방향 침투깊이는 11.01 mm로 확인되었다. 여기서, Z-방향 침투깊이는 XY-면 침투깊이의 69 % 로 수준이다.
3) 진공함침 최대압력이 증가함에 따라 부피밀도가 증가하였고, 이는 출력물 내부까지 후처리 용액이 침투한 것을 의미한다. 출력물의 부피밀도를 이용하여 파우더, 후처 리 용액 및 공기의 공극을 산출할 수 있다.
4) 진공함침 최대압력이 일정할 경우, 바인더젯 3D 프린팅 출력물 크기가 커짐에 따라 후처리 용액의 침투면적률 이 낮아짐에 따라 압축강도 저하가 발생한다.
5) 바인더젯 3D 프린팅 출력물 압축강도율는 후처리 용액 침투면적률과 보정결경계수 0.992의 지수함수 형태의 상관관계를 나타낸다.

후속연구

마찬가지로 3D 프린팅 기술을 건설 분야에도 적용하려는 시도가 진행되고 있다. 전통적 건설 기술과 비교해 3D 프린팅을 적용함에 따라 (1) 노동력을 줄일 수 있어서 이에 따른 건설 비용 저감 및 안전성이 높아지고, (2) 일정한 조건으로 운용됨에 따라 시간 단축이 가능하고, (3) 정밀한 재료 적층에 따른 시공 오류를 최소화할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 그리고 무엇보다도 (4) 비정형 형상 등 정교한 설계가 가능해서 건설의 의장적 자유도를 높일 수 있다.
10 MPa에 따른 침투면적 및 깊이를 확인하였다. 착색용액의 점도 및 적층 방향성에 따른 침투 성능은 향후 계속적으로 연구를 진행할 예정이다.
단, 본 논문에서는 Z-방향(적층 방향)에 한정 하여 측정하였다. 향후 적층방향이 압축강도에 미치는 영에 대해 연구를 진행할 예정이다.
이는 침투성의 결과와 마찬가지로 출력물 내부까지 후처리 용액이 침투한 것을 의미한다. 단, 출력물 크기에 따라서 부피밀도가 증가하는 현상 및 추정 체적률에 대한 실험적 근거는 추후 연구를 통해 검증할 필요가 있다.
06766이다. 본 연구에서는 최대 압축강도 21.67 MPa에 해당되는 결합 구성 및 후처리 공정에 한정된 결과이므로, 복합파우더의 결합구성비 및 후처리 공정을 다각화하여 데이터 표본수(자유도)를 확보함으써 상관관계식의 신뢰성을 확보해 나갈 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적층 제조 기술이란?	일반적으로 3D 프린팅이라고 불리는 적층 제조 기술은 (Additive Manufacturing, AM)은 재료를 자르거나 깎아서 생산하는 절삭 제조 기술(Subtractive Manufacturing, SM)과 대 비되는 개념으로 ASTM F2792-12(2015)에서는 ‘3D 모델 데이터로부터 형상을 만들기 위하여 연속된 재료를 한층 한층씩(layer upon layer) 적층하는 방법으로 절삭 제조 기술과 대비되는 기술이다’라고 정의하고 있다.
	3D 프린팅을 건설 분야에 적용할 경우 장점은?	마찬가지로 3D 프린팅 기술을 건설 분야에도 적용하려는 시도가 진행되고 있다. 전통적 건설 기술과 비교해 3D 프린팅을 적용함에 따라 (1) 노동력을 줄일 수 있어서 이에 따른 건설 비용 저감 및 안전성이 높아지고, (2) 일정한 조건으로 운용됨에 따라 시간 단축이 가능하고, (3) 정밀한 재료 적층에 따른 시공 오류를 최소화할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 그리고 무엇보다도 (4) 비정형 형상 등 정교한 설계가 가능해서 건설의 의장적 자유도를 높일 수 있다.
	BJ3DP의 강도 증진을 위한 후처리 공정은 어떤 것이 있는가?	이 는 파우더 사이의 결합이 접착제에만 의존하기 때문이고, 따 라서 BJ3DP은 후처리 공정을 통한 강도 증진이 반드시 필요 하다고 보고하고 있다. 상기에서 제안하고 있는 후처리 공정 은 액상형 규산나트륨(Sodium silicate, Na2SiO3)기반의 알칼 리성 용액에 출력물을 침지함으로써 압축강도 증진을 도모하고 있다.

참고문헌 (7)

ASTM F 2792-12 (2015), Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies.
Rael, R. and San Fratello, V. (2011), Developing concrete polymer building components for 3D printing, Proceedings of the 31st Annual Conference of the Association for Computer Aided Design in Architecture, (ACADIA 11), Banff, Canada, University of Calgary, 13-16 October, 2011, 152-157.
Cesaretti, G., Dini, E., De Kestelier, X., Colla, V., and Pambaguian, L. (2014), Building Components for an Outpost on the Lunar Soil by Means of a Novel 3D Printing Technology, Acta Astronaut, 93, 430-450.

상세보기
Ming Xia, Jay Sanjayan (2016), Method of formulating geopolymer for 3D printing for construction applications, Materials and Design, 110, 382-390.

상세보기
Park K.M, Lee J, Lee B.C, (2018), Effects Improvement in Strength of 3D Printed Alkali-activated Slag/Fly Ash Paste, Journal of the Korea Concrete Institute, 30(6), 641-648.(In Korean).

상세보기
Gibbons, G. J., Williams, R., Purnell, P., and Farahi, E. (2010). 3D Printing of cement composites, Advances in Applied Ceramics, 109(5), 287-290.

상세보기
3D systems (2019), Safety Data Sheet, Available online at: http://infocenter.3dsystems.com/materials/auxiliary/binders/zb63/(accessed 11, Dec 2019).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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