3D 프린팅 패턴의 방향이 물체의 역학적 거동에 미치는 구조적 영향 분석

Abstract

본 논문은 스마트 제조 공정의 기반이 되는 FFF-type 3D 프린터의 단점인 출력물 표면의 적층 패턴을 활용하여, 패턴의 방향에 따른 물체의 역학적 거동을 분석한 내용을 소개한다. 이는 3D 프린터로 출력된 대상을 몰드로 사용하고, 경화 전 점성을 띄는 물질을 주조하여 필라멘트 적층 패턴을 두 가지의 주조 방법으로 구현할 수 있음을 보여준다. 단일 주조로 구현된 오목한 (concave) 패턴은 마이크로 드릴 장치 (MDDs) 제작에 적용되어, 고가의 공정 장비를 대체하여 드릴의 블레이드를 구현할 수 있는 방법을 제시한다. 패턴의 방향에 따른 성능 분석을 위해, 각 블레이드가 45˚ 방향, 0˚ 방향, 나선 모양을 가진 드릴과 패턴의 유무에 따른 비교를 위한 민 무늬 드릴의 네 가지 종류를 제작하였다. 전산 유체 역학 해석을 통해 유체 내 드릴의 회전 시 패턴 방향에 따른 항력 차이를 간접적으로 비교한 후, 그 결과를 실험적으로 증명하기 위해 이물질로 막힌 관을 모사한 드릴 성능 테스트가 진행되었다. 결과적으로 45˚ 방향의 블레이드를 가진 드릴이 다른 모델보다 우수한 성능을 보였다. 이를 통해 유체 내에서 장애물을 통과할 때 패턴 방향에 따라 드릴이 받는 마찰 저항 차이로 인한 드릴 성능의 차이가 존재함을 입증하였다. 이중 주조로 구현된 볼록한 (convex) 패턴은 가역적 열 팽창 퓨즈 장치 (TRFs) 제작에 적용되어, 외부 열에 반응하여 전류를 가역적으로 차단할 수 있는 메커니즘을 제시하였다. 이는 가열에 의해 내압이 상승할 때, 패턴이 구현된 전도성 membrane이 팽창하면서 패턴과 나란한 방향과 수직한 방향 간의 모듈러스 차이를 이용하여, 전도 층 내에 발생하는 cracks이 패턴 방향에 따라 정렬되는 원리를 입증하였다. 또한, 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지를 통해 패턴과 나란한 방향과 수직한 방향에서 발생하는 cracks의 경향을 시각적으로 나타내고, 패턴의 유무에 따른 비교를 위해 제작된 민 무늬 membrane에서 cracks이 임의의 방향으로 발생한 것을 통해 패턴의 방향성이 cracks 정렬에 영향을 미침을 검증하였다. 이후 membrane의 거동에 따른 전류 차단 효과를 확인하기 위해 반복적인 가열 및 냉각 조건을 주어 membrane의 팽창 및 수축 시 전류의 흐름과 차단을 가역적으로 수행할 수 있음을 증명하였다. 본 논문에서 제시한 FFF-type 3D 프린터의 출력 시 발생하는 필라멘트 적층 패턴의 두 가지 주조 방법은 각각 다른 장치 제작에 활용되었으며, 패턴의 방향이 역학적 거동에 영향을 미치고, 이를 장치의 성능을 높이기 위한 방법으로 활용할 수 있음을 증명하였다. 이는 마이크로 단위의 의학용 장치, 시스템의 전기와 열을 관리하기 위한 장치 등에 적용될 수 있으며, 이를 통해 스마트 제조업에서 널리 사용되는 FFF-type 3D 프린터의 결점인 표면 무늬가 마이크로 단위의 장치에서 장점으로 승화되어 사용될 수 있다는 공정의 패러다임을 제시한다.