[논문]소형 IoT 기기 제작을 위한 FDM 프린팅 공정에서의 내부채움에 따른 물성치 변화 연구

안일혁

doi:10.20465/kiots.2020.6.3.075

초록
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최근의 IoT 센서의 소형화와 센서의 소형화로 인하여 다른 센서 및 구조물들과의 간섭 및 견고성을 고려하여 더욱 복잡해 지고 있다. 최근 3D 프린팅 기술은 센서 직접 제작이나, 센서 소자를 포함하는 기구를 만드는 분야에 다양하게 적용이 되고 있다. 그 중에서, fused deposition modeling(FDM) 기술은 장비 및 소재의 가격이 상당히 저렴하며, IoT 기기의 제작이 활용이 가능한 가장 유력한 기술중에 하나이다. 그런 FDM 프린팅 기술은 플라스틱 소재 기반의 필라멘트를 녹여서 적층하여 3D 형상을 만들어 내는 기술이며, 최근에 특허 종료와 아울러 오픈 소스 기반의 저가형 프린터가 개발됨으로 일반인들에게도 널리 사용되고 있다. 이런 FDM 기술을 이용하여 출력된 출력물에 있어서 기계적 물성치는 소재의 종류와 다양한 공정 변수들에 의해서 영향을 받는다. 그 중에서도 내부 채움(infill)은 기계적 물성치에도 큰 영향을 주면, 출력 시간에도 영향을 준다. 따라서 본 논문에서 내부 채움과 기계적 물성치 및 출력 시간 사이의 관계를 규명하여, 기계 기구물을 제작할 때 출력 시간과 기계적 물성치를 고려한 최적의 내부 채움 조건 선정 방법을 제시하고자 한다. 제시된 방법을 증명하고자, 다른 공정은 모두 고정하고, 내부 채움 조건만을 변경한 인장 시편을 제작하고, 제작된 시편을 인장 실험을 통하여 내부 채움에 따른 출력물의 기계적 물성치를 비교 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the size of the IoT sensor has been decreased and the collecting direction of the IoT sensor for acquiring the data have been changed from 2D to 3D. It makes sensor structure complex. In the fabrication of the complex structure, 3D printing technology has more useful than traditional manuf...

Recently, the size of the IoT sensor has been decreased and the collecting direction of the IoT sensor for acquiring the data have been changed from 2D to 3D. It makes sensor structure complex. In the fabrication of the complex structure, 3D printing technology has more useful than traditional manufacturing technologies. Among 3D printing technologies, FDM (fused deposition modeling) is a candidate technology to fabricate a small IoT sensor because the price of the machine and the material is cheap. In the FDM process, a 3D shape is made by depositing the melted filament. Recently, the patent of FDM technology is expired and cheat machines are developed based on the open-source. In the FDM process, mechanical properties of a fabricated part is affected by a lots of factors such as the kind of material and process parameters. Among them, infill is affecting the mechanical properties and the production lead time as well. In this work, a new method to optimize the FDM process with the consideration of mechanical property and production lead time was proposed. To verify the method, the fabrications were performed with the different infill rates. The results of tensile tests were analyzed to verify the proposed method.

주제어

표/그림 (9)

그림 [Fig. 1] DSC result for PLA filament
그림 [Fig. 2] Definition of build orientation for specimen fabrication
그림 [Fig. 3] Infill pattern for the specimens
그림 [Fig. 4] General purpose tensile test machine
그림 [Fig. 5] Strain-stress curve with infill rate at BO1
그림 [Fig. 6] Strain-stress curve with infill rate at BO2
그림 [Fig. 7] Schematics of extruded melt polymer
그림 [Fig. 8] Strain-stress curve with infillrate of 60%(a), 80%(b) and 100%(c)
그림 [Fig. 9] Side face in BO2 and BO3

AI 본문요약
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문제 정의

하지만, 내부 채움이 달라짐에 따라서 출력방향의 영향에 대한 연구는 간단하지만 많이 되고 있지 못하다. 그래서 본 연구에서는 내부 채움의 변화에 따른 출력 방향의 강도 변화 경향에 대하여서도 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 내부 채움 비율과 출력 방향에 따른 기계적 물성치 변화를 확인하고, 이를 기반으로 IoT 부품의 제작 시 FDM 방식을 활용 방안에 대해서 제시를 하고자 한다.
본 연구에서는 내부 채움 비율과 출력 방향에 따른 기계적 물성치의 변화를 인장 실험을 통하여 알아보았다. 최고 물성치를 얻기 위한 내부 채움 비율은 출력 단일 라인 폭의 영향을 받으며, 이는 경로 생성에 있어서 출력 라인 폭의 영향을 큼을 알 수 있었다.

제안 방법

고려한 내부 채움 비율은 60∼100%를 10% 단위로 제작하였다.
2과 같이 출력 방향의 영향성을 고려하기 위하여 3가지 적층 방향에 대하여 시편을 각각 3개씩 제작 하였다. 내부 채움 패턴의 영향을 알아보기 위하여 내부 채움 패턴을 Fig. 3과 같이 Grid 타입을 이용하여 제작하였다. Grid는 45/145도의 각도 측별로 번갈아 가면서 제작이 되었다.
PLA 소재는 옥수수 전분을 포함하는 친환경 소재로 온도 변화에 따른 상변화 시 수축률이 작아서, 출력 시 발생 가능한 수축에 인한 문제 발생이 적게 이어나고 치수 정밀도가 높은 출력물을 얻을 수 있다. 본 연구에서 사용한 PLA 소재에 대하여 시차주사열량 분석법 (Differential Scanning Calorimetry, DSC) 분석법을 이용하여 소재의 분석한 결과는 Fig. 1에 나타내었으며, 분석을 통하여 얻어진 결과를 용융 온도를 기준으로 하여 최적 온도 측정을 위한 사전 시험을 수행하였으며, 그 결과를 기본으로 하여 노즐 설정 온도를 210℃로 선정하였다. 작업 베드(Working bed)의 온도는 일반적인 온도인 65℃를 사용하였다.
4와 같은 범용 인장 시험기(MMS tech, HZ-1003B)를 이용하여 측정을 하였다. 시험 조건은 ASTM D638-14에서 제시하고 있는 5mm/min 일정 변위 속도를 이용하였으며, 표점 거리 50 mm에 신장 계를 설치하여 연신율를 측정하였다.

대상 데이터

시편 제작에 사용된 프린터는 자동 레벨링 기능이 없는 장비이기에, Raft라는 기본 밑판 구조물을 출력 후 그 위 시편이 출력 되도록 하였다. 본 실험에 사용된 시편은 ASTM D638-14 Type I 형으로 제작하였으며, Fig. 2과 같이 출력 방향의 영향성을 고려하기 위하여 3가지 적층 방향에 대하여 시편을 각각 3개씩 제작 하였다. 내부 채움 패턴의 영향을 알아보기 위하여 내부 채움 패턴을 Fig.
본 연구에서는 오픈 소스를 기반으로 하는 FDM 장비 (LUGO-M, www.formersfarm.co.kr)와 국내에서 제조된 PLA (Polylactic acid)를 선정하였다. PLA 소재는 옥수수 전분을 포함하는 친환경 소재로 온도 변화에 따른 상변화 시 수축률이 작아서, 출력 시 발생 가능한 수축에 인한 문제 발생이 적게 이어나고 치수 정밀도가 높은 출력물을 얻을 수 있다.

이론/모형

작업 베드(Working bed)의 온도는 일반적인 온도인 65℃를 사용하였다. 온도 변수 외에 경로를 생성을 위해서는 Raised3D에서 제공하고 있는 IdeaMaker를 이용하였다. 기본적인 경로 생성을 위해서 사용된 조건은 프린터 제조업체에서 사용한 조건을 사용하였다.

성능/효과

즉, 내부 채움이 증가할수록 측간 결합되는 양이 증가되고, 그것이 강도를 증가시키는 주원인으로 이해할 수 있다. 내부 채움이 60%에서 항복강도는 5.9 MPa로 측정되나, 70%에서는 7.15 MPa로 내부채움 60%에서의 항복강도에 비해서 1.25 MPa 증가에 그치지만, 80%인 경우에는 9.7 MPa로 크게 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 반면, 80%에서 100%로 내부 채움이 증가하여도, 항복 강도는 10% 이내의 소폭 증가만이 확인된다.
본 연구에서는 내부 채움 비율과 출력 방향에 따른 기계적 물성치의 변화를 인장 실험을 통하여 알아보았다. 최고 물성치를 얻기 위한 내부 채움 비율은 출력 단일 라인 폭의 영향을 받으며, 이는 경로 생성에 있어서 출력 라인 폭의 영향을 큼을 알 수 있었다.

후속연구

차후의 연구에서는 라인 폭의 설정에 따른 과겹침 현상과 이로 인한 물성치의 변화에 대한 연구와 윤곽 출력의 특징에 따른 기계적 물성치의 변화에 대해서 연구해 보고자 한다.

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