[논문]3D 프린팅을 이용한 3차원 채움 패턴의 중량과 출력시간을 고려한 인장강도 연구

나두현; 김호준; 김현준

doi:10.5228/kstp.2023.32.5.255

3D 프린팅을 이용한 3차원 채움 패턴의 중량과 출력시간을 고려한 인장강도 연구
A Study on Tensile Strength Considering Weight and Printing Time of 3D Infill Patterns using 3D Printing 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.32 no.5, 2023년, pp.255 - 267

나두현 (대림대학교 기계공학과) , 김호준 (대림대학교 기계공학과) , 김현준 (대림대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, 3D printing using a material extrusion method is used in various fields. Since plastic material has lower strength than steel, research to increase the strength is continuously being conducted. This study investigates the lattice structure for additive manufacturing of six 3D infill patterns (octet, quarter cubic, cubic, cubic subdivision, triangles and cross 3D) which consist of tetragons, hexagonal trusses, equilateral triangles and cross shapes. Consequently, in the tensile strength considering the weight and printing time, octet, quarter cubic, cubic and triangles patterns tended to increase linearly as the infill density increased, except for the infill density of 20%. However, the tensile strength/weight performed better than the infill density of 100% when the cubic subdivision pattern had the infill density of 20% and the cross 3D pattern had the infill density of 40%. Considering the weight and printing time, the infill patterns of high tensile strength were octet, quarter cubic, cubic, cubic subdivision, triangles and cross 3D order.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1 Tensile specimen(ASTM D638 Type Ⅰ)[mm]
그림 Fig. 2 3D infill pattern shape(infill density 50%): (a) Octet; (b) Quarter cubic; (c) Cubic; (d) Cubic subdivision; (e) Triangles; (f) Cross 3d
그림 Fig. 3 3D printer, tensile testing machine and vision measuring machine: (a) Style NEO-A31; (b) Universal testing machine(TO-102); (c) MIRACLE-V2515M
그림 Fig. 4 Infill shape of octet: (a) 4th layer; (b) 5th layer
그림 Fig. 5 Reference of Layer diagram
그림 Fig. 6 Lattice structure of octet: (a) Infill shape(4th layer); (b) Layer diagram; (c) Actual layer diagram[mm]
그림 Fig. 7 Lattice structure of quarter cubic: (a) Infill shape(4th layer); (b) Layer diagram(dimension a, b); (c) Actual layer diagram(dimension a, b); (d) Layer diagram (dimension c, d); (e) Actual layer diagram (dimension c, d)[mm]
그림 Fig. 8 Lattice structure of cubic: (a) Infill shape(4th layer); (b) Infill shape(5th layer); (c) Actual layer diagram[mm]
그림 Fig. 9 Lattice structure of cubic subdivision: (a) Infill shape(4th layer); (b) Layer diagram; (c) Actual layer diagram[mm]
그림 Fig. 10 Lattice structure of triangles: (a) Infill shape(4th layer); (b) Infill shape(5th layer); (c) Actual layer diagram[mm]
그림 Fig. 11 Lattice structure of cross 3D: (a) Infill shape(4th layer); (b) Layer diagram; (c) Actual layer diagram[mm]
그림 Fig. 12 The results of tensile test for octet pattern: (a) Tensile strength and tensile strength/weight; (b) Printing time and tensile strength/printing time
그림 Fig. 13 The results of tensile test for quarter cubic pattern: (a) Tensile strength and tensile strength/weight; (b) Printing time and tensile strength/printing time
그림 Fig. 14 The results of tensile test for cubic pattern: (a) Tensile strength and tensile strength/weight; (b) Printing time and tensile strength/printing time
그림 Fig. 15 The results of tensile test for cubic subdivision pattern: (a) Tensile strength and tensile strength/weight; (b) Printing time and tensile strength/printing time
그림 Fig. 16 The results of tensile test for triangles pattern: (a) Tensile strength and tensile strength/weight; (b) Printing time and tensile strength/printing time
그림 Fig. 17 The results of tensile test for cross 3D pattern: (a) Tensile strength and tensile strength/weight; (b) Printing time and tensile strength/printing time
그림 Fig. 18 Infill shape of cross 3D(4th layer)
표 Table 1 Comparison of average tensile strength, tensile strength/weight, tensile strength/printing time

AI 본문요약
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문제 정의

소재 사용량이 적고 출력 시간이 짧을수록 원가 절감 및 생산성 향상의 효과를 기대할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 평균 인장강도/중량과 평균 인장강도/출력시간 결과를 분석하여 6가지 3차원 채움 패턴 중 어떠한 패턴이 가장 효율적인지를 제시하였다.
4(a) and (b)에서 확인할 수 있는 치수 a, b의 길이는 레이어 층마다 달라진다. 따라서 본 연구자는 3차원 채움 패턴 6가지의 내부 적층 형상이 어떻게 변하는지에 대해 분석하였다.
본 연구자는 다양한 채움 패턴 중 3차원 채움 패턴의 내부 적층 형상이 인장강도에 어떠한 영향을 미치는지 분석하기 위해 인장시편을 출력한 후, 비전장비를 이용하여 내부 적층 형상 분석을 하였다. 인장시편 두께 3.
본 연구자는 원가절감과 생산성 향상에 효율적인 3차원 채움 패턴을 확인하기 위해 각 패턴의 인장강도[MPa], 인장강도/중량[MPa/g]과 출력시간[min], 인장강도/출력시간[MPa/min]을 분석하였다.
본 연구자는 원가절감과 생산성 향상을 위한 효율적인 3차원 채움 패턴을 제시하기 위해 인장강도/중량, 인장강도/출력시간을 평균값으로 분석하였다.

제안 방법

Octet패턴의 내부 직선들은 45, 135° 틀어져 있기 때문에 실제 모형도를 관찰하기 위해 내부 직선 각도를 0, 90°로 변경하고, 외벽을 제거한 후 비전 장비로 관찰하였다(Fig
본 연구에서는 3차원 채움 패턴을 내부 적층 형상에 따라 분류하였고 모형도(layer diagram)를 제시하여 적층 형상을 분석하였다. 또한 3차원 채움 패턴의 채움 밀도(infill density) 변화에 따른 인장시험을 진행하여 중량과 출력 시간을 고려하여 인장강도를 분석하였다.
3차원 채움 패턴은 내부 적층 형상이 레이어 별로 달라지는 내부 채움 패턴을 의미한다. 본 연구에서는 3차원 채움 패턴을 내부 적층 형상에 따라 분류하였고 모형도(layer diagram)를 제시하여 적층 형상을 분석하였다. 또한 3차원 채움 패턴의 채움 밀도(infill density) 변화에 따른 인장시험을 진행하여 중량과 출력 시간을 고려하여 인장강도를 분석하였다.

대상 데이터

본 연구자는 Cubicreator4 V4.4.0에서 레이어마다 달라지는 (a)의 치수 a, b를 참조하여 모형도를 제작하였다(Fig. 6(b)).
본 연구자는 다양한 채움 패턴 중 3차원 채움 패턴의 내부 적층 형상이 인장강도에 어떠한 영향을 미치는지 분석하기 위해 인장시편을 출력한 후, 비전장비를 이용하여 내부 적층 형상 분석을 하였다. 인장시편 두께 3.2mm는 3차원 적층 형상에 대한 전체적인 경향을 분석하기 어려움이 있기 때문에 6.6mm로 시편을 출력하여 분석하였다.

성능/효과

(1) 3차원 채움 패턴의 octet과 quarter cubic패턴은 사각형(tetragon), cubic과 cubic subdivision은 정육면체트러스(hexagonal truss), triangles패턴은 정삼각형(equilateral triangle), cross 3D패턴은 십자(cross) 형상으로 적층되는 것을 확인하였다.
(3) 중량을 고려한 인장강도에서 cubic subdivision 패턴은 채움 밀도 20%, cross 3D패턴은 채움 밀도 40%일 때 100%보다 인장강도/중량 결과값이 높은 경향을 보였다. Octet, quarter cubic, cubic, triangles패턴은 채움 밀도 20%를 제외하면, 채움 밀도가 증가함에 따라 인장강도/중량이 선형적으로 증가하는 경향을 보였다.
11(a)). Cross 3D 패턴의 평균 중량은 7.60g으로 3차원 채움 패턴 중 중량이 가장 낮지만 낮은 인장강도로 인해 6가지 3차원 채움 패턴 중 가장 낮은 인장강도/중량 값(16.51~20.03MPa/g)을 보였다. 또한 복잡한 적층 형상으로 인해 평균 출력시간 66.
Cross 3D패턴은 3차원 채움 패턴 중 인장강도가 가장 낮았다. 그 이유는 인장응력을 지지할 인장방향으로의 레이어가 없기 때문이다(Fig.
(3) 중량을 고려한 인장강도에서 cubic subdivision 패턴은 채움 밀도 20%, cross 3D패턴은 채움 밀도 40%일 때 100%보다 인장강도/중량 결과값이 높은 경향을 보였다. Octet, quarter cubic, cubic, triangles패턴은 채움 밀도 20%를 제외하면, 채움 밀도가 증가함에 따라 인장강도/중량이 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 출력시간을 고려하였을 때 인장강도는 유사하거나 조금씩 증가하였지만 cross 3D패턴은 낮아지는 경향을 보였다.
49MPa/min으로 동일하였고 채움 밀도 40~100%에서 선형적으로 증 가하였다. Octet패턴은 채움 밀도 100%일 때 인장강도/중량과 인장강도/출력시간이 가장 높기 때문에 원가 절감과 생산성의 측면에서 가장 효율적인 것을 확인하였다.
80g이다. 이 패턴은 이전 패턴들과 달리 채움 밀도 20% 일 때 인장강도/중량 값이 3.21MPa/g로 가장 높고 채움 밀도 40%일 때 두 번째(3.16MPa/g)로 높은 결과가 나타났다. 채움 밀도 100%와 20, 40%를 비교하면 중량을 28.
43MPa/min)이 40%보다 높은 것을 확인하였다. 이후 cubic subdivision패턴을 제외한 나머지 패턴들과 유사하게 40%의 채움 밀도에서 100%의 채움 밀도까지 인장강도/중량, 인장강도/출력시간 결과값이 선형적으로 증가하였다.
60g이다. 인장강도/중량은 채움 밀도가 40%일 때 2.58MPa/g으로 가장 높고 20%일 때 2.55MPa/g으로 두 번째로 높게 나타났다. 채움 밀도 100%와 비교하면 중량을 11.
12g) 줄이면서 효율적인 인장강도/중량을 확보할 수 있다는 것을 의미한다. 인장강도/출력시간 결과는 0.49~0.50 MPa/min으로 채움 밀도 변화에 따라 거의 동일한 결과를 보였다.
채움 밀도 40~100%에서 인장강도/중량이 선형적으로 증가하였다. 인장강도/출력시간 결과는 채움 밀도 20%와 40% 값이 0.47MPa/min으로 동일 하였으며 이후 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. Cubic 패턴도 채움 밀도 100%에서 다른 채움 밀도와 비교하였을 때 원가절감과 생산성이 가장 효율적 임을 확인하였다.
채움 밀도 100%와 20, 40%를 비교하면 중량을 28.70%(9.06→6.46g), 27.25%(9.06→7.12g) 줄이면서 효율적인 인장강도/중량을 확보할 수 있다는 것을 의미한다
23g이다. 채움 밀도 20%일 때 인장강도/중량(2.97 vs 2.82MPa/g), 인장강도/출력시간(0.44 vs 0.43MPa/min)이 40%보다 높은 것을 확인하였다. 이후 cubic subdivision패턴을 제외한 나머지 패턴들과 유사하게 40%의 채움 밀도에서 100%의 채움 밀도까지 인장강도/중량, 인장강도/출력시간 결과값이 선형적으로 증가하였다.
Octet, quarter cubic, cubic, triangles패턴은 채움 밀도 20%를 제외하면, 채움 밀도가 증가함에 따라 인장강도/중량이 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 출력시간을 고려하였을 때 인장강도는 유사하거나 조금씩 증가하였지만 cross 3D패턴은 낮아지는 경향을 보였다.

참고문헌 (14)

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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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