직·간접 쾌속 툴링을 융합한 Metal Powder Deposition (MPD) 공정 개발

국문 초록 (Abstract)

최근 4차 산업 중 일반인들에게 친숙한 3D 프린터의 언급 및 개발이 심화되고 있는 가운데 각 국가별 프린팅 개발의 중요성은 커져가고 있다. 이러한 3D 프린터의 기술은 각 분야에 특화된 형태로 개발되어 왔고 프린터의 성능 및 기술 등이 중요시 되어지는 시점에서 기본적인 파라메타를 통한 프린터의 발전을 꾀하고자 프린팅 업체 및 연구 단체에서는 다양한 방식의 기술 및 데이터를 분석하며 프린팅 산업을 발전시키고 있다. 특히, 공업화를 위한 금속 프린터의 개발이 가중되고 있는 가운데 금속 프린터에 대한 개발이 국내뿐만 아니라 해외에서도 중요시 되고 있다.
이에 본 논문에서는 직접식 쾌속툴링인 금속프린터 대신 많이 사용하고 있는 FDM, DLP, SLA 방식의 3D 프린터를 통한 간접식 쾌속툴링을 통해 금속화에 관한 기술적 해결책을 제시하여 보다 효율적이며 품질향상을 위한 부분에 비중을 둔 고품질 출력물에 대한 실험변수들의 파라메타를 구하고, 결과물의 물리적 특성을 확인하고자 한다. 특히, FDM 방식을 응용해 기술적 한계를 벗어나 재료 형상에 관여치 않고 출력할 수 있는 기술을 개발하는 등 다양한 측면에서 프린터의 사용 용도를 수정하고 이를 통해 제품 생산을 위한 금속화 프린터를 대체할 기술인 직·간접 혼합 쾌속툴링 기법을 도출하고자 한다. 그 결과, 직접식 쾌속툴링(DMT 기법)과 간접식 쾌속툴링(FDM 기법)을 접목시켜 사형 및 금속 적층이 동시에 가능하도록 설계한다. 이 후, 분말들을 도가니 내 적층시켜 전기로를 통해 소결하여 금속화하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent 4th industry revolution, the reference and development of 3D printer familiar to the general public is intensifying, and the importance of printing development in each country is growing. This 3D printer technology has been developed in a specialized form in each field. In order to develop the printer through the basic parameters when the performance and technology of the printer become important, printing companies and research organizations have to provide various technologies and data Analyzing and developing the printing industry. In particular, while the development of metal printers for industrialization is increasing, the development of metal printers is becoming important not only in Korea but also abroad.
In this paper, propose metallization technical solution through indirect rapid tooling through 3D printers of FDM, DLP and SLA, which are frequently used instead of direct rapid tooling metal printers. We want to find the parameters of experimental variables for high-quality output with emphasis on and to check the physical properties of the results. In particular, Direct and indirect mixing rapid tooling, technology that will replace metallized printers for product production by modifying the use of the printer in various aspects were proposed. As a result, it is designed to enable sand casting and metal lamination by combining direct rapid tooling (DMT Printer) and indirect rapid tooling (FDM Printer). Thereafter, the powders are stacked in a crucible to be metallized by sintering through an electric furnace.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 3차원 프린터 현황 2
• 1.3 종류별 3차원 프린터와 사용용도 9
• 1.4 금속 프린터 현황 및 문제점 제기 18
• 1.5 금속 계열 프린터의 중요성과 대안 19
• 제 2 장 직접식 쾌속툴링 21
• 2.1 직접식 쾌속툴링 정의 21
• 2.2 분말형 금속프린터의 문제점 제시 22
• 2.2.1 금속프린터 의의 22
• 2.2.2 금속프린터 대체 안 23
• 제 3 장 간접식 쾌속툴링 24
• 3.1 간접식 쾌속툴링 정의 24
• 3.2 재질 별 프린터 소개 25
• 3.3 액상형 3D 프린터 25
• 3.3.1 DLP 프린터의 정의 25
• 3.3.2 DLP 3D Printing의 실험계획법 26
• 3.3.2.1 DLP 3D Printer의 한계 26
• 3.3.2.2 DLP 3D Printer 구조 31
• 3.3.2.3 실험계획법 32
• 3.3.2.4 요인배치법 34
• 3.3.3 DLP 3D Printing의 실험방법 및 데이터 분석 35
• 3.3.3.1 DLP 3D Printing 시 시험편과 실험장치 35
• 3.3.3.2 DLP 3D Printing 시 실험방법 36
• 3.3.4 DLP 3D Printing의 실험결과 및 고찰 37
• 3.3.4.1 DLP 3D Printing 시 강도 37
• 3.3.4.2 DLP 3D Printing 시 속도 39
• 3.3.4.3 DLP 3D Printing 시 품질 43
• 3.3.5 SLA 방식과의 비교분석 48
• 3.3.5.1 SLA 3D Printer 연구 목적 48
• 3.3.5.2 SLA 3D Printing 시 실험 방법 50
• 3.3.5.3 SLA 3D Printing 시 데이터 비교 52
• 3.4 고상형 3D 프린터 55
• 3.4.1 FDM 프린터의 정의 55
• 3.4.2 3D 프린터의 구동방식과 프로그램 57
• 3.4.2.1 FDM 3D Printer 57
• 3.4.2.2 슬라이스 프로그램 59
• 3.4.2.3 호스트 프로그램 59
• 3.4.2.4 FDM 프린터용 필라멘트 60
• 3.4.3 FDM 3D Printing 시 시험편과 실험방법 62
• 3.4.3.1 FDM 3D Printing 시 시험편과 실험장치 62
• 3.4.3.2 FDM 3D Printing 시 실험방법 62
• 3.4.4 FDM 3D Printing에 따른 실험결과 및 고찰 63
• 3.4.4.1 적층 기울기에 따른 인장강도 변화 63
• 3.4.4.2 내부 채움에 따른 인장강도 변화 66
• 3.4.4.3 적층두께에 따른 인장강도 변화 67
• 3.4.4.4 내부 채움과 적층두께에 따른 생산성과 품질관계 검토 69
• 3.4.5 FDM 3D Printing 시 내부 충진율에 따른 변화 71
• 3.4.5.1 프린팅 시 내부 충진율 정의 71
• 3.4.5.2 적층두께에 따른 층간 충진율 72
• 3.4.5.2.1 적층단면형상 모델링 72
• 3.4.5.2.2 적층단면 모델들의 층간 충진율 73
• 3.4.5.3 내부 충진율 간 실험장치 및 실험방법 75
• 3.4.5.3.1 충진율 변화를 위한 실험장치 및 실험재료 75
• 3.4.5.3.2 내부 충진율 실험방법 76
• 3.4.5.4 충진율 변화에 관한 실험결과 78
• 3.4.5.4.1 충진율의 적층두께에 따른 강도 변화 78
• 3.4.5.4.2 Printing 된 시험편의 층간 충진율 79
• 3.4.5.4.3 층간 충진율에 따른 강도변화 81
• 3.4.6 Chamber 내 온도변화에 따른 수축률 83
• 3.4.6.1 온도변화로 인한 수축률 정의 83
• 3.4.6.2 열화상 카메라 84
• 3.4.6.3 Chamber 내 공기 유동 해석 85
• 3.4.6.3.1 평판 위 Reynolds 수 결정 85
• 3.4.6.3.2 공기 유동 해석 86
• 3.4.6.4 수축률 측정을 위한 실험방법 및 데이터 분석 88
• 3.4.6.4.1 수축률에 따른 시편 및 실험조건 88
• 3.4.6.4.2 Chamber 유무에 따른 실험방법 89
• 3.4.6.4.3 출력물 및 Chamber 내 데이터 분석 92
• 3.4.7 공학용 의수제작 예시 93
• 3.4.7.1 의수 이론 93
• 3.4.7.2 의수 설계 97
• 3.4.7.3 의수의 3D Printing 및 실험결과 107
• 제 4 장 FDM 방식을 응용한 직·간접식 쾌속툴링 116
• 4.1 사형 주조 프린팅을 응용한 Semi-Full Mold 116
• 4.1.1 사형 주조 프린터 정의 116
• 4.1.2 사형 주조 방식에 따른 연구방법 118
• 4.1.2.1 사형에 따른 요인 선정 120
• 4.1.2.2 사형주조 모델링 설정 120
• 4.1.2.3 형상 제조를 위한 3D 프린팅 실험 121
• 4.1.2.4 사형주조 과정 및 결과 122
• 4.1.2.4.1 주물형상에 사용될 필라멘트 선정을 위한 테스트 123
• 4.1.2.5 Semi-Full Mold 실험 정리 130
• 4.2 세라믹 프린팅 137
• 4.2.1 세라믹 프린터 정의 137
• 4.2.2 세라믹 프린팅을 위한 직접식 쾌속툴링 137
• 4.2.2.1 기존의 간접식 쾌속툴링 137
• 4.2.2.2 세라믹 프린팅 기법의 FDM 3D 프린터 기구부 138
• 4.2.2.3 겔 타입 토출 익스트루더 기구부 139
• 4.2.3 겔 타입 프린팅의 실험방법 140
• 4.2.3.1 겔 타입 압출부 실험장치 제작 140
• 4.2.3.2 겔 타입 출력을 위한 실험방법 및 재료선정 140
• 4.2.3.3 출력량 설정 141
• 4.2.4 겔 타입 출력물의 실험결과 142
• 4.2.4.1 Ag paste & Ceramic 익스트루더 142
• 4.2.4.2 Ag paste의 2차원 성형 142
• 4.2.4.3 Ceramic의 3차원 성형 145
• 4.3 DMT 방식을 응용한 프린팅 기법 147
• 4.3.1 DMT 방식 3D 프린터 정의 147
• 4.3.2 DMT 방식의 특성 및 문제점 148
• 4.4 Triple Extruder Type의 MPD 프린터 개발 155
• 4.4.1 MPD 정의 155
• 4.4.2 MPD 연구방법 157
• 4.4.2.1 분말 공급 장치 설계 161
• 4.4.2.2 분말형 3D 프린팅 실험 169
• 4.4.3 금속분말 출력물 데이터 비교 170
• 4.4.4 최종 결과 도출 173
• 제 5 장 결 론 175
• [참고 문헌] 178