[3D프린터개발산업기사 필기] 3D프린터 회로 및 기구

3D프린터개발산업기사 필기 시험의 각 과목에 대해 학습한 내용을 정리하였으며, 이와 관련된 기출문제 몇가지 풀이를 마지막에 정리하였습니다.

회로 개발

설계 조건 분석

1. 3차원 구동 구조

  - 3차원 이동을 위해 최소 3개 이상의 구동축이 필요하다.

2. 구동 구조

  - 3D 형상을 얇은 층으로 나누고, 2차원 평명 운동하는 기구부에 재료 분사 노즐을 장착하여 쌓아올리면서 3차원 출력을 한다. (벨트 구동, 볼스크류 구동, 리니어 모터 구동, 병렬 로봇 구동)

3. 구동부 제어 방식

  (1) 서보 모터 시스템 (Closed-loop Control) - 동작부 + 피드백 제어 시스템, AC/DC 서보 모터

  (2) 오픈 루프 제어 (Open-loop Control) - 피드백 없이 기준 입력만으로 제어, 스테퍼 모터

4. 스테핑 모터

  - AC, DC 모터는 별도의 엔코더 센서가 있어야 위치 제어를 할 수 있으며, 스테핑 모터는 센서 없이도 입력 펄스만으로 위치 제어가 가능하여 3D 프린터에 많이 사용된다.

  - 유니폴라 : 각 상(phase)의 권선에 인가한 입력 전원이 항상 같은 극성을 갖게 구동시키는 방식.

  - 바이폴라 : 동일 권선에 입력 펄스의 극성을 바꿔 주는 방식. 두 개의 극성을 동시에 여자시킴.

 

제어 회로 설계하기

1. Kirchoff 법칙

  - 전압의 법칙 : 하나의 닫힌 회로에 모든 전압의 합은 0이 된다.

  - 전류의 법칙 : 하나의 지점에 여러 갈래의 도선이 지나가는 지점을 노드라 하며, 노드에 들어오거나 나가는 전류의 값을 모두 더하면 0이 된다.

2. 전자 회로 제작 과정

  - 회로도 설계 → 풋프린트(Footprint) 매칭 작업 → DRC(Design Rule Check) → 넷리스트(Netlist) 생성 → PCB 레이아웃(아트웍) → PCB 제작

3. 납의 종류

  - 온도에 따라 녹는점이 다른 납이 있다. 유연납, 무연납이 있으며 무연납은 녹는점이 높아 전용 인두기를 사용해야 하며, 납땜 후 깨끗하지 못하므로 초보자가 사용하지 적합하지 않음.

4. 올바른 납땜

  - 기판과 소자 사이의 공간이 보이지 않도록 밀착한다.

  - 소자와 소자 간에 와이어로 연납한 경우, 기판과 와이어 사이에 공간이 없게 한다.

5. 회로 검증(멀티미터)

  - 저항 측정 : 회로에서 분리하여 저항 단독으로 측정한다.

  - 전압 측정 : 대상 위치에 대상과 병렬로 연결한다.

  - 전류 측정 : 대상 위치에 대상과 직렬로 연결한다. 병렬로 잘못 사용하면 쇼트 현상이 발생할 수 있다.

 

설계신뢰성 확보하기

1. 검사용 지그

  - 500핀 이하의 회로 검사에는 핸드 프레스 지그, 500~800핀의 회로 검사에는 에어프레스 지그를 사용한다.

  - 지그 구조는 크게 바디, 핀 보드, 누름 판으로 구성된다.

 

기구 개발

기구 검토하기

1. 조형 방식에 따른  기구 구조

  (1) Material Jetting : 광경화성 수지나 왁스 등 재료를 잉크젯 프린트와 재료 분사 방식으로 선택적으로 도포하는 방식

  (2) Vat Photopolymerization : 광경화성 액체 수지가 담긴 수조에 레이저를 투사하여 경화시켜 적층하는 방식

  (3) Powder Bed Fusion : 분말 재료에 레이저를 주사하여 제작하는 방식

  (4) Binder Jetting : 베드 위에 놓인 분말에 접착제를 선택적으로 분사하여 분말들을 결합시키는 방식

  (5) Directed Energy Deposition : 레이저 등의 열에너지를 국부적으로 가해 분말/와이어 재료를 녹여 침착시키는 방식

  (6) Sheet Lamination : 얇은 판형 재료를 단면 형상으로 자른 후 층층이 붙여 만드는 방식

  (7) Material Extrusion : 재료를 노즐을 통해 압출하여 적층하는 방식

 

기구 설계하기

1. 부품 배치

  (1) 구동부 : 모터(스텝 모터, 리니어 모터, 갈바노 미터 등),  이송 방식(벨트, 스크류, 자석, 거울 등), 이송 가이드(샤프트, LM 가이드)

  (2) 토출부 : Laser, LED, 압출 방식 헤드, Jetting 헤드

  (3) 재료 투입부

2. 기구 설계 프로그램

  - 카티아, 오토캐드, 크레오, 솔리드웍스 등

기구 안정성 확보하기

1. 안정성 시험 항목

  - 넘어짐, 계측, 반복 정밀도, 위치 정밀도, 재질의 재료, 사용 환경

 

소재 관리

소재 선정하기

1. 플라스틱

  (1) 열가소성 플라스틱 : 여러 번 재가열하여 성형이 가능한 수지로 재활용이 가능하다. 열 안정성이 떨어져 고온에서는 사용이 제한 적이다. 압출 성형 소재로 주로 사용된다.

  (2) 열경화성 플라스틱 : 한번 열을 가해 성형을 하고 나면 재가열에 의해 성형할 수 없는 수지이다.

2. 광경화 수지

  - 액체 상태로 존재하다가 특정 파장의 빛에 노출되면 경화된다.

  (1) 수조 광경화 방식 : 수지가 담긴 수조에 레이저가 스캐닝을 하여 단면을 경화시킨다.

  (2) DLP 방식 : 수지가 담긴 수조에 빔 프로젝터가 면 단위로 경화시킨다.

  (3) 재료 분사(Material Jetting) 방식 : 여러 개의 미세 노즐에서 분사된 액적을 자외선 램프가 경화시킨다.

 

소재 물성 관리하기

1. 소재의 변형 거동

  (1) 탄성 변형 : 하중을 제거하면 원래 상태로 되돌아오는 변형

  (2) 소성 변형 : 하중을 제거해도 원래 상태로 되돌아오지 않고 영구 변형이 남는 변형

2. 연성 재료와 취성 재료

  (1) 연성 재료 : 소성 변형이 큰 재료로 항복 응력 이후 네킹(Necking)이 발생하고, 이후 변형이 지속되다 파단된다.

  (2) 취성 재료 : 소성 변형이 거의 없고 탄성 변형을 지속하다 바로 파단이 발생한다.

3. 열적 물성 테스트

  (1) 유리 전이 온도 : 딱딱한 상태에서 점성 상태 또는 고무 상태로 변화가 일어나는 온도

  (2) 비카트 연화 온도 : 재료가 사용될 수 있는 최고 한계 온도로 일정 하중에서 임의의 양만큼 변형이 발생하는 온도

  (3) 열변형 온도 : 작은 하중에서도 비정상적으로 큰 변형이 발생할 때의 온도

4. 물질 안전 보건 자료(MSDS, Material Safety Data Sheet)

  - 화학 물질을 안전하게 사용하고 관리하기 위하여 필요한 정보를 기재한 자료

5. 전기 기구/전자 제품 안정성 테스트(UL, Underwriter's Laboratory)

  - 미국 보험 회사들이 전기 기구나 전자 제품의 안전도를 평가하기 위한 목적으로 시작한 테스트로, 세계적으로 확장되어 사용되고 있으며 플라스틱 소재에서는 필수적으로 사용된다.

  (1) 난연성 평가 : Horizontal Burning(HB), Vertical Burning(VB)

  (2) 전기적 특성평가 : HWI, HAI, HVAR, HVTR, CTI

  (3) 장기적 내열 특성 평가

 

소재 물성 테스트하기

1. 주요 규격

  (1) KS : 한국산업 규격

  (2) ASTM : 미국재료시험협회 규격

  (3) ISO : 국제표준화협회 규격

---

2019년 3D프린터개발산업기사 필기 기출문제 풀이

 

1. 부품을 실장하기 위해 사용하는 납떔에 대한 설명으로 틀린 것은?

① 기판과 와이어 사이에 공간이 없게 납땜한다.

② 기판과 소자 사이의 공간이 최소화되게 납땜한다.

③ 동기판에 비해 은기판과 금기판이 전기전도율이 높다.

④ 무연납의 경우 녹는점이 낮아서 초보자가 사용하기 쉽다.

  (무연납은 녹는점이 높아서 초보가자가 사용하기 어렵다.)

 

4. 신뢰성 평가에 사용하는 용어의 설명으로 틀린 것은?

① MTBR : 고장수리 후 다음 고장 수리까지의 시간

② MTBF : 고장에서 다음 고장까지의 시간으로 시스템의 평균 고장 시간 산출

③ MTTR : 제품에 고장이 발생한 경우 고장에서 수리되는데까지 소요되는 시간

④ MTTF : 고장 평균 시간으로 주어진  시간에서 고장 발생까지의 시간으로 수리 후 다음 고장까지의 시간

  MTBF = Mean Time Between Failure

  MTTR = Mean Time To Repair

  MTTF = Mean Time To Failure

7. 트랜지스터의 설명으로 틀린 것은?

① 바이폴라 트랜지스터(BJT)는 NPN형만 존재한다.

  (PNP형, NPN형이 있다.)

② 트랜지스터를 증폭기로 사용할 때의 동작영역은 활성영역이다.

  (증폭기-활성모드, 개방스위치-차단모드, 도통스위치-포화모드)

③ 전계효과 트랜지스터(FET)는 BJT보다 열영향이 적고 잡음이 강하다.

  (FET가 잡음이 적고 온도에 덜 예민하다.)

④ 트랜지스터를 스위치로 사용할 때는 포화영역과 차단영역을 사용한다.

 

8. 다음 달링턴회로에서 전류 Ic의 값은?

① 10mA

② 20mA

③ 100mA

④ 200mA

  (I_collector = β * I_base)

 

11. 플라스틱 소재의 변형거동에 관한 설명이 틀린 것은?

① 탄성변형은 하중을 제거하면 원래 상태로 되돌아오는 변형이다.

② 소성변형은 하중을 제거해도 원래 상태로 되돌아오지 않고 영구변형된다.

③ 연성재료는 소성변형이 큰 재료로 항복응력 이후 특정 부위가 얇아진다.

④ 취성재료는 탄성변형이 거의 없고 소성변형을 천천히 지속하다 파단이 발생한다.

  (취성재료는 소성변형이 거의 없고 탄성변형을 천천히 지속하다 파단이 발생한다.)

 

17. 3D 프린터로 출력하고자 하는 대상 제품에 따른 소재 선정 시 검토해야할 항목으로 거리가 먼 것은?

① 출력물의 강도

② 출력물의 연성

③ 출력물의 체결성

④ 출력물의 해상도

 

19. 열가소성 수지의 특징으로 틀린 것은?

① 열안정성이 우수하여 강성이 필요한 곳에 많이 사용된다.

  (열 안정성이 떨어져 고온에서는 사용이 제한적이다.)

② 여러 번 재가열에 의해 성형이 가능한 수지이다.

③ 용융점이 존재하며 용융점에 이르면 급격한 부피변화가 나타난다.

④ 결정구조에 따라 결정성 수지와 비결정성 수지로 구분된다.