[논문]FDM에서 경사면의 표면과 면적오차법의 관계에 대한 연구

전재억; 정진서; 황영모; 김수광; 김준안; 계중읍; 하만경

문제 정의

⑹ 김준안은 SLA장치와 소프트웨어를 개발하고 조형정밀도 및 표면 거칠기 성능 향상을 위한 연구를 하였다.⑺ 하만경 과전재억등은 FDM 장치에서 주사간격과 시작품 의 경사가 표면거칠기에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 최만성과 최배호는 LOM 시스템을 이용한 패턴제작에서 치수 정밀도와 기계적 강도에 관하여 연구하였다.
본 연구는 FDM장치를 이용한 쾌속조형물의 제작에서 제품의 표면과 단면 오차법의 관계를 알기 위해서 제품 표면의 경사를 바꾸어 표면 거칠기를 측정하고, 표면상태를 향상하기 위한 시제품 표면예측 프로그램의 제작을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
⑺ 하만경 과전재억등은 FDM 장치에서 주사간격과 시작품 의 경사가 표면거칠기에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 최만성과 최배호는 LOM 시스템을 이용한 패턴제작에서 치수 정밀도와 기계적 강도에 관하여 연구하였다.(이

제안 방법

그 연구들에 대하여 아래에 그 예를 들었다. R.Ippolito는 3D Systems사에서 제안한 원래의 벤치마크를 사용하여 RP 기술의 치수 정밀도와 표면의 사상을 연구하였다.⑹ 김준안은 SLA장치와 소프트웨어를 개발하고 조형정밀도 및 표면 거칠기 성능 향상을 위한 연구를 하였다.
그리고 시작모델의 표면거칠기를 측정하여 시작품의 형상에 따라 표면거칠기를 비교하였다. 그리고 볼랜드 C++빌더를 이용하여 면적오차법을 적용한 소프트웨어를 만들어 각 층간 격에 대한 면적오차를 구하여 표면거칠기 값과 비 교하였다.
이러한 일련의 처리를 거친 데이터를 FDM 3000에 전송하여 시작모델을 만들었다. 그리고 시작모델의 표면거칠기를 측정하여 시작품의 형상에 따라 표면거칠기를 비교하였다. 그리고 볼랜드 C++빌더를 이용하여 면적오차법을 적용한 소프트웨어를 만들어 각 층간 격에 대한 면적오차를 구하여 표면거칠기 값과 비 교하였다.
본 실험에서는 현재 범용적으로 사용되는 CAD 프로그램인 AutoCAD를 이용하여 제품의 형상을 생성하고 STL파일로 저장하였다. 이 모델은 다면 체의 형상으로 되어 있고, 기준을 경사면의 각이 바닥과 평행한 각을 0° 로 하였고, 각 0° , 1.
본 연구에서는 FDM장치를 이용한 시제품제작 에서 제품의 표면의 경사각의 변화에 따른 표면거 칠기의 변화를 측정하고, 면적오차에 따른 표면거 칠기를 예측하여 실험결과와 비교, 분석하였다.
이 그래픽 파일을 퀵슬라이스 소프트웨어에서 층 (Layer) 별로 슬라이싱 (Slicing)하고, 그 데이터는 SSL(Stratasys Slicing Language) 파일로 저장한다. 이 과정에서 모델을 배치하고 STL 파일의 오류를 수정했다. 다음과 정으로 지지대(Support)를 생성하고 주사 패턴, 팁 (Tip)의 종류 등을 설정했다.
본 실험에서는 현재 범용적으로 사용되는 CAD 프로그램인 AutoCAD를 이용하여 제품의 형상을 생성하고 STL파일로 저장하였다. 이 모델은 다면 체의 형상으로 되어 있고, 기준을 경사면의 각이 바닥과 평행한 각을 0° 로 하였고, 각 0° , 1.5° , 3° 와 5° 에서 90° 까지 5° 간격으로 기울기가 변하도록 되어 있다. 주사간격과 층간격의 조건은 Table 1에 나타내었다.
다음과 정으로 지지대(Support)를 생성하고 주사 패턴, 팁 (Tip)의 종류 등을 설정했다. 이러한 일련의 처리를 거친 데이터를 FDM 3000에 전송하여 시작모델을 만들었다. 그리고 시작모델의 표면거칠기를 측정하여 시작품의 형상에 따라 표면거칠기를 비교하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 시스템은 Stratasys사에서 제작한 범용 RP시스템으로 명칭은 FDM 3000이다. 이 시스템의 제품 제작부의 외부 규격은 660(w)x 1067(h)X914(d)(iim)이고, 제작부내에서 제작할 수 있는 최대 부품의 크기는 254X254X406(um1)이다.
FDM 장치의 원리는 열에너지와 층제조기술을 토대로 한다. 소재는 스풀(Spool)에 감긴 필라멘트 (Filament)형태이고, 이 소재를 특별히 설계된 헤드 (Head)에서 용융하고 모델의 각 층의 형상을 주사 패턴에 따라 분사한다.
본 연구에서 사용한 시스템은 Stratasys사에서 제작한 범용 RP시스템으로 명칭은 FDM 3000이다. 이 시스템의 제품 제작부의 외부 규격은 660(w)x 1067(h)X914(d)(iim)이고, 제작부내에서 제작할 수 있는 최대 부품의 크기는 254X254X406(um1)이다. '0'이 되면 n의 값도 값도 되어 있는 PC에서는 STL 포맷으로 만들어진 그래픽 파일을 퀵슬라이스(Quick Slice)라는 소프트웨어를 이용하여 데이터를 처리하고 데이터는 최종적으로 SML(Stratasys Modeling Language) 파일로 저장되어 FDM장치로 전송되어 제품을 생산한다.

성능/효과

1. FDM장치에서 시제품의 경사가 0° 부터 2 0° 까지 각도가 커짐에 따라서 거칠기는 나빠지고, 10° 에서 20° 까지의 기울기에서 가장 나쁜 거칠기 값을 가지고, 그 이상의 각도에서는 점점 더 각이 커짐에 따라서 표면거칠기는 향상되었다.
2. 제작 방향에 따른 이론적 단면 곡선에서의 면적오차 모의실험에서는 경사각이 0° 에서 15° 까지는 단면오차가 커지고 15° 를 정점으로 경사 각도가 높아질수록 감소하는 것으로 나타났다.
3. 이론적 단면곡선의 면적오차법에 의한 표면 거칠기의 예측이 실제 조형물의 패턴분석에서 적합한 것으로 나타났다.
본 연구에서 사용된 소재는 ABS P400으로 내구력이 높으므로 기능성 시험용 쾌속 조형 모델을 제작하는데 적합하다. ABS의 특징으로는 내충격성, 인성, 열안정성, 내화학성, 강성 등을 들 수 있다.
제품 경사면의 표면거칠기와 이론적 단면곡선 의 면적오차 모의실험 패턴은 실제 표면거칠기의 패턴과 거의 일치하므로 표면거칠기의 개선을 위하여 모델링 후 배치에 있어서 제작 방향을 고려 하는 것이 중요한 것을 알 수 있으며, 이러한 제작 방향을 자동으로 생성할 수 있는 소프트웨어의 개발을 위해 이론적인 단면곡선의 면적오차법을 이용한다면 최적의 조건을 구할 수 있었다. 이러한 방식의 도입으로 보다 나은 표면거칠기가 얻어지고 표면거칠기가 불량한 각도를 피하는 최적의 조건으로 모델을 배치하여 좋은 표면상태의 제품을 제작할 수 있게 될 것이다.

후속연구

제품 경사면의 표면거칠기와 이론적 단면곡선 의 면적오차 모의실험 패턴은 실제 표면거칠기의 패턴과 거의 일치하므로 표면거칠기의 개선을 위하여 모델링 후 배치에 있어서 제작 방향을 고려 하는 것이 중요한 것을 알 수 있으며, 이러한 제작 방향을 자동으로 생성할 수 있는 소프트웨어의 개발을 위해 이론적인 단면곡선의 면적오차법을 이용한다면 최적의 조건을 구할 수 있었다. 이러한 방식의 도입으로 보다 나은 표면거칠기가 얻어지고 표면거칠기가 불량한 각도를 피하는 최적의 조건으로 모델을 배치하여 좋은 표면상태의 제품을 제작할 수 있게 될 것이다.

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