보고서 정보
주관연구기관 |
(주)인스텍 |
연구책임자 |
김화중
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보고서유형 | 연차보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2017-05 |
과제시작연도 |
2017 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201800039296 |
과제고유번호 |
1711058743 |
사업명 |
기술확산지원(정보통신) |
DB 구축일자 |
2018-09-15
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키워드 |
다종소재.융복합.적층.3D프린팅 솔루션.기술개발.Multi material.convergence.3D printing solution.development.
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초록
▼
1. (최종년도, 당해년도) 목표
○ 최종년도
o 단일 챔버 3종(금속, 세라믹, 폴리머 이종(異種)소재 3종 조합) 동시 정밀 (100×100×100mm기준, 치수정밀도 200㎛ 미만)프린팅 기술 개발
o End Product
- Shot blast blade 시제품
- Shear knife 시제품
- Brake disc, pad 시제품
○ 당해연도
o 주관기관(인스텍) : 금속, 세라믹, 폴리머의 다종소재 공급 시스템 구축
- 다종 복합 소재 전용 3D 프린팅 모듈 설계/제
1. (최종년도, 당해년도) 목표
○ 최종년도
o 단일 챔버 3종(금속, 세라믹, 폴리머 이종(異種)소재 3종 조합) 동시 정밀 (100×100×100mm기준, 치수정밀도 200㎛ 미만)프린팅 기술 개발
o End Product
- Shot blast blade 시제품
- Shear knife 시제품
- Brake disc, pad 시제품
○ 당해연도
o 주관기관(인스텍) : 금속, 세라믹, 폴리머의 다종소재 공급 시스템 구축
- 다종 복합 소재 전용 3D 프린팅 모듈 설계/제작
- 다종 복합 소재 전용 적층모듈 제어용 소프트웨어 및 알고리즘 개발
- 다종 복합 소재 전용 CAM 소프트웨어 설계
o 참여기관 1(포항산업과학연구원) : 이종 금속 복합 3D 프린팅 기술 확보
- 금속+금속 2종 복합 3D 프린팅 기술 확보 및 계면 물성 평가
- 복합 소재 물성 20% 이상 향상
- 정밀 프린팅 기술 확보(100×100×100mm기준, 치수 정밀도 <400㎛)
o 참여기관 2(부산대학교) : 2종 복합재 3D프린팅 공정 FEM 해석 기술 개발 및 주요 공정 변수에 따른 공정 특성 FEM 해석
2. 당해 사업 목적 및 중요성
목적 : 금속, 세라믹, 폴리머의 다종소재 공급 시스템 구축과 이종 금속 복합 3D 프린팅 기술 확보, 2종 복합재 3D프린팅 공정 FEM 해석 기술 개발 및 주요 공정 변수에 따른 공정 특성 FEM 해석
중요성 : 과제의 최종 목표인 단일 챔버 3종(금속, 세라믹, 폴리머 이종(異種) 소재 3종 조합) 동시 정밀(100×100×100mm기준, 치수정밀도 200㎛ 미만) 프린팅 기술 개발과 End Product 제작을 위해 가장 기본이 되는 작업
3. 사업 내용 및 범위
○ 주관기관(인스텍) :
- 다종 복합 소재 전용 3D 프린팅 모듈개발
. 다종 복합 소재 전용 3D 프린팅 모듈 설계/제작
. 금속, 세라믹, 폴리머 복합 모듈 통합 설계/ 조립/ 설치
. 레이저 및 주변장치의 구성 및 설치
. 금속, 세라믹, 폴리머 전용 HEAD, Feeder 유니트 설계/제작
○ 소재 종류, 입도, 형상별 정밀 공급 제어 시스템 개발
- Laser Beam Auto Focusing, Multi Head Change 기술을 이용한 공정 제어 프로세스 개발
- Powder Distribution, Temperature, Clean, Transfer Control Unit
○ 소재 종류, 입도, 형상별 정밀 공급 제어와 공정구현을 위한 소프트웨어 및 알고리즘 개발
- 조작반 인터페이스 및 전장 설계와 구성
- 모듈 및 HMI 프로그램 개발 및 코딩
- 멀티 소재 공급 및 적층 알고리즘 개발
- 소재 공급량 자동 Calibration 알고리즘 개발
- 복합 공정 제어 시스템 설계
○ 다종 복합 소재 적층 전용 CAM 소프트웨어 개발
- 소재 간 통합 운영 공구 경로 생성 소프트웨어 설계.
- 소재별 공정 변수 자동 조정 및 복합 공정 변수 설정 기능 구현.
- 광경화 독립 제어 모듈 구동 Data 추가.
- 통합운전환경 구현을 위한 다소재 전용 CAM 소프트웨어 개발
○ 참여기관 1(포항산업과학연구원) :
- 금속+금속 2종 복합재 3D 프린팅 기술 확보
. 일반강, 스텐레스강, 공구강+Ti, inconel, 내마모강 등 2종 금속 복합 3D 프린팅 기술 확보 및 소재 종류에 따른 조직변화, 계면 형상, 계면 강도 등 물성 평가.
- 복합 소재 물성 향상
. 복합 소재 물성 20% 이상 향상
- 정밀 프린팅 기술 확보
. 100×100×100mm기준, 치수 정밀도 <400㎛
○ 참여기관 2(부산대학교) :
- 2종 복합재 3D 프린팅 공정 FEM 모델링
. 2종(금속+금속) 복합재 프린팅 3D 적층 공정 모델링
. Gaussian distribution heat source 적용
- 2종 복합재 3D 프린팅 성형공정 FEM 해석
. 주요 공정변수 선정 (스캐닝 속도, 패스간 중첩도 등)
. 공정변수에 따른 2종 복합재 3D 프린팅 성형 특성 분석
. 2종 복합재 3D 프린팅 시 발생되는 결함 파악 및 온도, 응력 분포 분석
- 공정변수별 3D 프린팅 실험 및 물성평가
. 2종 복합재 3D 프린팅공정 실험과 FEM해석 결과 프린팅 형상 비교
4. 사업의 성과
- 세라믹 + 금속 다종 소재 프린팅 복합 시스템 설계 및 제작
- 세라믹 + 금속 다종 소재 공급 전용 모듈 개발 (듀얼 헤드)
- 기구 강성 및 헤드 경량화를 위한 전용 Feeder 개발
- 장비 전장 설계 및 Module Test 진행
- 다종 소재 전용장비의 S/W 및 HMI 1차 개발 완료
- 1차년도 CAM의 개발에 대한 조건 확립 및 적용을 위한 H/W 구축
- 다종소재(금속, 세라믹) 적층 전용 챔버 제작
- 듀얼 헤드 및 모듈 최적화에 관한 특허 출원
○ 단일 금속 3D프린팅 기술 확보
- Ti-6Al-4V합금에 대한 3D프린팅 영향인자별 프린팅 실험 및 계면분석, 최적 프린팅 조건 도출
○ 금속+금속 2종 복합 3D프린팅 기술 확보 및 계면 물성 평가
- S45C+STS310S, S45C+STD11, S45C+STD61, S45C+STD11/STD61 등 다양한 2종 금속에 대한 3D프린팅 영향인자별 프린팅 실험 및 계면분석, 최적 2종 금속 복합 3D프린팅 조건 도출
○ 복합소재 물성 향상
- S45C+STD11/STD61의 복합 3D프린팅 및 열처리를 통해 복합 소재의 물성을 모재 대비 370%, 열처리 후 22.5% 추가 향상
○ 정밀 프린팅 기술 확보
- 샘플의 형상에 따른 프린팅 양상을 파악 및 프린팅 영향인자를 최적화로 100×100×100mm 기준, 치수 정밀도 <400㎛의 정밀 프린팅 기술 확보
○ 2종소재 3D 프린팅 공정 모델링
- DLM을 이용한 3D 프린팅 실험후 비드 형상 분석
- 실험의 형상 조건을 바탕으로 3D 프린팅 FEM 모델링
- Elment birth and death technique을 이용하여 움직이는 열원에 의해 분말이 모재에 적층이 진행되는 공정 묘사
○ 2종 소재 3D 프린팅 공정 FEM 해석
- 레이저 스케닝 속도에 해당하는 클래드의 온도가 용융점 까지 상승시켜 이동하는 열원을 해석
- 2종 복합재 3D 프린팅 시 발생되는 결함 파악 및 온도, 응력 분포 분석
○ 공정변수별 3D 프린팅 및 FEM해석결과 비교 분석
- 다종 소재 3D 프린팅 공정 FEM 해석 결과 프린팅 형상 비교
- 2종 금속 소재 3D 프린팅 (Ti-6Al-4V + Ti) 결과 비교
5. 활용방안 및 기대효과
- 활용방안
어떤 금속 소재 부품이 지속적으로 사용되면서 그 기능을 잃어버리는 가장 대표적인 경우는, 그 기능을 수행하기 위해 필요한 형상을 유지하지 못하는 것에 기인함. 형상을 유지하지 못하는 것은 크게 부식으로 인한 손실과 마모로 인한 손실을 들 수 있음. 본 기술개발로 부품의 특정 부분에 내식성이 강화된 소재를 프린팅 할 수도 있고, 내마모성이 강화된 소재를 프린팅 할 수도 있으므로, 현재 사용 중인 부품의 기능을 향상시키고, 수명을 향상시키는 데 활용할 수 있음.
- 기대효과
(1) 기술적 측면
- 금속, 세라믹, 폴리머 등 다종 소재를 복합적으로 3D프린팅 할 수 있는 기술을 개발함으로써 단일부품=단일소재=단일기능의 한계를 극복. 다기능 복합소재 부품개발로 부품 산업 및 그 부품을 사용한 완제품의 성능 향상에 기여
(2) 경제적, 산업적 측면
- 단일 부품이 다기능화 됨에 따라 부품이 적용된 생산라인, 완제품 등 전체 시스템의 간소화가 가능하고, 운용비용 저감, 유지보수 용이, 생산성 향상, 에너지 소비 효율 향상 전망
(3) 사회적 측면
- 3D프린팅만의 장점을 구현할 수 있는 창조적 디자인 관련 전문 인력 양성. 주조, 단조, 절삭 등 작업환경이 열악한 제조업에서 첨단 기술이 뒷받침된 청정 제조업으로의 전환. 제 2의 산업혁명에서 주도적 위치를 선점할 수 있는 국가로서의 이미지 제고에 기여
(출처 : 요약문(초록) 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제출문 ... 2
- 정보통신・방송 연구개발사업 계획서 ... 3
- 목차 ... 4
- 요약서(초록) ... 5
- 1. 연구개발 목표 ... 10
- 가. 최종 목표 ... 10
- 나. 당해 (연도·단계) 연구개발 목표 및 결과 ... 10
- 2. 연구 범위 및 연구 수행 방법 ... 64
- 3. 연구개발 목표의 달성도 및 자체 평가 ... 65
- 가. 연구개발성과 및 평가 방법 ... 65
- 나. 당해 (연도·단계) 정량적 연구성과 목표 및 달성도 ... 66
- 다. 당해 (연도·단계) 질적 성과 목표 및 달성도 ... 67
- 4. 연구개발성과(해당되는 성과만 기재) ... 68
- 가. 지식재산권(특허, 실용신안, 의장, 디자인, 상표, 규격, 신품종, 프로그램) ... 68
- 나. 국내 논문 게재 ... 68
- 다. 국내 및 국제학술회의 발표 ... 68
- 라. 표준화 ... 68
- 마. 기술 거래(이전) 등 ... 68
- 바. 사업화 투자 실적 ... 68
- 사. 사업화 현황 ... 68
- 아. 저작권(소프트웨어, 서적 등) ... 69
- 자. 생명자원(생물자원, 생명정보)/화합물 ... 69
- 차. 전문 연구 인력 양성 ... 69
- 카. 산업 기술 인력 양성 ... 69
- 타. 기술요약정보 ... 69
- 하. 보고서 원문 ... 69
- 5. 구매 금액이 3천만원 이상인 연구시설・장비 구축 현황 ... 70
- 6. 연구개발비 집행 실적 (총괄) ... 70
- 7. 연구 수행에 따른 문제점 및 개선 방향 ... 74
- 8. 중요 연구 변경 사항 ... 74
- 9. 기타 건의 사항 ... 74
- 끝페이지 ... 75
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