Introduction 쾌속조형(Rapid prototyping, RP); 3D printing

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2 Introduction 쾌속조형(Rapid prototyping, RP); 3D printing
- CAD 표현 정보로부터 3차원 모형을 제작하는 새로운 제조 기술 중의 하나 층상화된 양식을 더하거나 붙여서 거의 실물과 유사하게 제작 solid free-form fabrication

3 Advantages and Classification
크기는, 마이크로에서 빌딩 전체까지 재료는 종이와 플라스틱에서 금속과 세라믹까지 범위를 확대 적용사례는 장난감, 항공, 의료분야… 쾌속조형의 장점 - 복잡한 3차원 기하학적인 형태의 제작 - CAD 모델기반으로 자동화됨 - 특별한 후공정이 불필요한 포괄적인 제조 - 인간의 개입이 거의 필요 없거나 최소화됨 - 최소가격으로 짧은 시간 안에 정밀한 시제품을 만들 수 있음 쾌속조형의 분류 Kruth(1991)는 사용되는 원재료에 따라 분류. 1. 액체기반 기술(liquid-based techniques) 2. 분말기반 기술(powder-based techniques) 3. 고체기반 기술(solid-based processes)

4 Liquid-Based Techniques
광조형법(stereolithography, SLA); 광중합을 기반으로 적층 제조하는 기술. 3D model > 2D sliced data > SLA Photosensitive Liquid / Elevator Laser beam에 의한 광중합 반응 4. 반복 적층

5 Advantages and disadvantages of SLA
광조형법의 장점 - 높은 정확도 ±0.1 mm와 우수한 표면 마무리 - 광학적으로 맑은 반투명(semitransparent) 재료 제조 가능 - 공정의 완전 자동화 광조형법의 단점 - 사용되는 재질의 범위에 한계가 있다. - 다른 쾌속조형 방식에 비해 상대적으로 비싼 비용이 든다. - 액체 속에서 작업은 어렵다. - 제품들은 가끔 후공정 경화 공정이 필요하다.

6 Liquid-Based Techniques (2)
Holographic interference solidification (HIS) 액상 감광성 모노머 수조 내에 모델의 홀로그래픽 이미지를 투영하면, 한 번에 전체 입체 표면을 굳게 할 수 있어 시간을 절약할 수 있다. Beam interference solidification (BIS) 가장 범용성이 많은 폴리머 기반 쾌속조형 공정이다. 주파수가 다른 2개의 레이저 빔의 교차점에서 응고가 일어난다. 레이저 빔 1을 만난 모든 액체는 에너지가 들뜬 상태로 있다가, 레이저빔 2의 조사 때에 중합된다. 어떠한 x, y, z의 조합에 대해서도 레이저 빔의 운동이추종 가능하게 하여 짧은 조형 시간 내에 3차원의 형상을 제조. 다음과 같은 한계점들 때문에 산업적 응용에 있어서 제한이 있다: 1. 빛의 흡수 (깊이에 따라 강도 저하) 2. 부품 형상 효과로 인하여 고형화(응고)문제 3. 온도 변화 혹은 응고로 인하여 발생하는 빛의 회절에 의한 빔 교차 문제

7 Solid ground curing (SGC)
고체지면 경화 공정은 두 가지 주요 사이클, 포토 마스크 생산 사이클과 층 제조 사이클이 있다. 하나의 층을 만들기 위해 작업을 완료하려면 약 2분 정도 소요된다. 1. CAD 파일이 단면화. 2. 폴리머 한층이 플랫폼 위에 도포. 3. 포토 마스크 준비 (모든 층에 대하여). 4. 마스크 판은 물체 위에 놓여진다. 5. UV 경화 6. 여분의 폴리머는 진공 흡입, 왁스로 채워진다. 7. 왁스는 경화 8. 밀링 헤드로 광 폴리머를 절삭하여, 일정하게 두께를 준비한다. 9. 마스크 교체 10. 형상이 완료될 때까지 반복

8 Advantages and disadvantages of SGC
고체지면 경화의 장점 - 복잡하고 큰 부품 제작 - 추가적인 지지부 구조가 필요 없다. - 후경화 불필요, 이는 내부 응력이나 뒤틀림을 방지함. - 넓은 작업 영역으로 한번 만에 여러 부품 제작 가능함 - 정확도 우수 - 부품의 복잡성은 속도에 영향이 없다; 그러나 부피에는 영향이 있다. - 무게중심을 바꾸기 위해서 언제든지 무게를 삽입할 수 있다 - 어느 층이라도 에러가 발견되면 밀링으로 그 부분을 없앨 수 있다. 고체지면 경화의 단점 - 장비 가격이 높다. - 장비 크기가 크다. - 공정이 복잡하고 높은 유지보수 및 숙련된 감독이 요구된다. - 재료 사용이 제한적이다. - 왁스는 완성 후에 커다란 오븐 안에서 제거되어야 한다. - 공정 중에 소음이 있다. - 고가의 폴리머의 사용을 증가시킨다. - 레진은 빛으로부터 격리된 챔버를 요구하고, 독성의 재료 취급이 요구된다.

9 Liquid thermal polymerization (LTP)
열경화 폴리머를 사용 응고는 레이저 빛의 영향이 아니라 열 분해(heat dissipation)에 의해 발생 시스템은 플라스틱 개체와 왁스 지지부 구조물을 위하여 2개의 제트를 채용 밀링 헤드가 절단하는 동안 파편입자를 진공으로 포집 > 노이즈 발생 재료의 선택은 매우 제한되어 있다

10 Fused deposition modeling (FDM)
광조형 방식 다음으로 두 번째로 가장 널리 사용되는 쾌속조형 기술 모델 재료는 CNC 제어된 압출 헤드에서 반고체 형태로 직접 적층 단단한 플라스틱 부품이 필요한 경우에, FDM 방식이 유리. 공정은 열가소성 3μm 직경의 필라멘트(filament)를 사용하여, 모델의 층과 층으로 모델을 쌓음

11 Fused deposition modeling (FDM)
장점 - 환경 친화 공정 - 작고 얇은 형상을 빨리 만든다. - 강한 부품을 제작한다. - 가격 경쟁력이 있다 - 부품 청소가 필요 없다. - 컬러 ABS를 사용하여 다양한 색 구현 단점 - 넓은 단면영역을 만들 때 느리다. - 추가적인 지지부 재료를 사용해야 한다. - 낮은 정확도와 표면 마무리가 미흡하다. - 복잡한 부품은 만들 수 없다. - 사용 가능한 재료의 수가 한정적이다.

12 Multijet modeling (MJM)
직선 배열의 96 제트를 갖춘 프린트 헤드를 사용하여 연속적으로 층들을 쌓아 모델을 제작한다. 각 제트는 특수열 폴리머(thermopolymer) 재료를 사용한다. 헤드가 라인 프린터(x 축)와 같이 앞뒤로 가공기의 헤드가 왕복하여, 단층을 구축하고, 빠른 시간 내에 입체 모델을 완성한다. 다수의 제트는, 저렴한 열폴리머를 사용하여, 최대 효율을 위해 빠르고 연속적인 재료의 적층을 가능하게 한다.

13 Ballistic particles manufacturing (BPM)
용융 물질의 흐름이 노즐에서 토출. 재료는 방울로 분리되어, 기판에 부딪히는 즉시 차갑게 용접되어 부품 일부를 형성한다. 물질 유속은 드롭 온 디맨드(drop-on-demmand) 방식 혹은 연속 잉크젯을 형성한다. 이 때 압전 변환기는 60Hz에서 노즐을 작동한다. 노즐 구동 힘은 균일한 간격과 작은 거리의 규칙적인 방울 흐름의 제작을 보장한다. 장점 - 후가공 마무리가 필요 없다. - ±0.01 mm 공차가 얻어진다. - 금속 등에도 확장 - 정밀주조용 왁스는 금형 필요 없이 제작 - 하나의 부품 안에 다른 색, 재료 적용 - 경제적 - 빨리 고형화된 마이크로 구조를 제작.

14 Shape deposition manufacturing (SDM)
고체 자유형상 제조(즉, 어떤 복잡한 형상 및 이종 구조를 계획하면 특수 지그(jig)를 필요로 하지 않는다)의 장점과, 기존의 기계 가공의 이점(즉, 정확도, 우수한 표면 조도, 기존 3혹은 5 축 CNC 밀링의 넓은 작업범위)과 잘 결합되어 있다.

15 Powder-Based Processes
선택적 레이저소결(selective laser sintering, SLS) 장점 - 가장 경질의 부품 제작 가능 - 다양한 재질이 사용 - 비교적 짧은 생산 시간(약 25mm/h). - 후경화 공정이 필요 없다. - 추가 지지부가 필요없다. - 분말은 재사용. 단점 - 계단효과 > 거친 표면 마무리 - 가열 및 냉각에 8~10시간 소요. - 플라스틱 용융시 > 독가스 - 열 수축으로 인하여, 정밀하지 못함.

16 Laser engineered net shaping (LENS)
고출력 레이저는 증착 헤드를 통해 동축으로 공급되는 금속 분말을 레이저 빔 초점 위치에서 용해한다. 스테인레스 스틸, 인코넬, 구리, 알루미늄 등의 다양한 재료들뿐만 아니라, 특 히 흥미롭게도, 티타늄과 같은 반응성 재료가 사용될 수 있다. SLS보다 재료의 한계를 적게 가지고 있으며, 이차적인 소성(firing) 공정을 필요로 하지 않고, 또한 부품 제조 및 수선(repair)하기 위해 사용된다. 초창기에는, 항공 우주산업에 요구되는 진귀한 금속부품 및 큰 티타늄 및 사출 공구 제조에 집중 연구.

17 Three-dimensional printing (3DP)
- SLS와 BPM(그림 8.12)의 기능을 겸비하고 있다. - 분말 재료는 선택적 레이저소결과 같이, 연속적인 층으로 적층된다. 3DP은 쾌속 생산과 낮은 재료 비용의 이점을 제공한다. 사실, 그것은 아마 모든 쾌속조형 방식 중에 가장 빠르며, 최근에는 컬러 출력도 가능해졌다. 그러나, 해상도, 표면 마무리, 부품의 부서지기 쉬움(part fragility), 그리고 사용가능한 재료의 한계 등의 제한이 있다.

18 Solid-Based Techniques
- 적층 개체의 모델링(laminated object modeling. LOM)에서, 개체 단면 윤곽은 레이저를 사용하여 종이 또는 다른 두루마리 재료로부터 절단하여 만들어진다 - 최종 개체에서 제거되는 단면 영역을 용이하게 제거하기 위해, 레이저로써 그물 모양의 음영을 대량으로 새겨놓는다

19 Solid-Based Techniques