[3D프린터개발산업기사 필기] 3D 프린터 장치

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

빌드장치 개발

노즐 설계

1. 노즐의 정의

  - 단면적의 크기가 변화하면서 유체의 유속이 증가하게 하는 장치

2. 조형 방식별 노즐의 종류

  (1) 제팅(Jetting) 방식 : 압전 재료로 만든 얇은 박막이 미세 변형을 일으키고, 그만큼 액적이 작은 구멍(오리피스)을 통해 발생한다. 전기 신호에 의해 압전 재료의 변형을 일으키기 때문에 빠른 속도로 제팅이 가능하여 고속 프린팅에 사용된다. 높은 정밀도와 다중 재료의 사용이 장점이며, 단점은 광경화성 재료가 사용되므로 노즐이 막힐 우려가 높다.

  (2) FDM 방식 : 열가소성 재료를 녹여서 필라멘트 형태로 토출시켜 단면을 형성한다. 온도제어가 가장 중요한 부분중 하나이다. 노즐 팁 직경, 노즐 팁의 길이 등이 중요한 설계 대상이다. 상용 노즐 팁과 이송 장치 등 비교적 간단한 장비를 구성할 수 있다는 장점이 있으며 원재료 개발도 상대적으로 용이하다. 그러나 열가소성 재료 외의 다른 재료는 사용할 수 없다.

  (3) Direct-Print(DP) 방식 : FDM과 유사하나 액상 혹은 페이스트 재료를 사용할 수 있다는 차이가 있다. 원재료가 담긴 노즐 장치에 압력을 가해 재료를 토출시킨다. 다중 재료를 사용하는 데에 있어 매우 유용하다. 다양한 크기 및 모양의 주사기와 팁이 많이 상용화되어 있어 쉽게 제작이 가능하다. 단점은 재료의 유동성으로 출력물이 변형될 수 있으며 품질이 떨어질 수 있다.

 

광학모듈 설계

1. 광조형 방식

  (1) 주사 방식 : 레이저 빔을 수지 표면에 주사하여 수지를 경화시킨다. (광원-광학계-주사장치/집광장치-수지표면)

  (2) 전사 방식 : 광 패던을 수지 표면에 조사하는 방식이다. (광원-광학계-패턴형성기/초점광학계-수지표면)

2. 광원

  - 광경화성 재료의 반응 파장대는 주로 자외선이며, 소결 방식에서는 적외선 레이저를 많이 사용한다.

  - 레이저의 파장대가 광 개시제의 파장대 영역에 포함되어야 한다.

  - 레이저 파워가 높을 수록 고속 주사가 가능하다.

3. 주사 방식 광학계

  - 레이저 파장대(λ)가 짧고, 초점 거리(F)가 짧으며, 레이저광 직경(D)이 클수록, 집광된 빔의 크기(W)와 초점심도(DOF,Depth of Focus)가 작아진다.

  (1) 빔 익스펜더 : 초점 렌즈에 입사하는 레이저 빔 크기(D)를 크게하여 빔 직경(W)을 작게 한다.

  (2) 반사경 : 좁은 영역에서 긴 광경로를 생성한다.

  (3) 주사 장치 : X, Y 2개의 모터로 반사경을 회전시켜 레이저 빔의 위치를 제어한다.

  (4) 초점 렌즈 : 렌즈의 입사각에 따라 초점 위치를 보정하여 재료 표면에 초점이 맺히게 한다.

4. 전사 방식 광학계

  (1) 패턴 생성기 : LCD, DMD가 있다. 백색/흑색 비트맵 이미지로 광 패턴을 생성한다.

  (2) 릴레이 렌즈 및 반사경 : 광 패턴을 이송시키 위한 렌즈 및 반사경이다.

  (3) 전사 렌즈 : 광 패턴을 수지 표면에 초점이 맺히게끔 전사하는 역할을 한다.

 

하이브리드 시스템 설계

1. 하이브리드 3D 프린터 종류

  (1) DMLS(Direct Metal Laser Sintering)+CNC : SLS와 동일한 공정이며 금속 파우더에 초점을 두고 있다. 표면 거칠기를 CNC 공정으로 머시닝을 병행한다.

  (2) DP(Direct Print)+광조형 : 광경화성 재료를 토출하고, 광을 이용해 곧바로 경화시킨다.

  (3) FDM+DP : FDM으로는 기계적 성질이 우수한 구조물을 제작하고, DP로는 다양한 복합재를 사용함으로써 단일 공정에서는 제작할 수 없는 다양한 종류의 성형품을 가공한다.

  (4) FDM+UC(Ultrasonic Consolidation) : UC는 금속 박판을 초음파 에너지로 접합시키고 CNC로 잘라내는 성형 공정이며, FDM 공정으로 서포트 형상을 제작한다.

  (5) 로봇 기반 : 로봇의 그리퍼(gripper)를 이용해 여러 종류의 헤드를 선택적으로 사용할 수 있다.

 

구동장치 개발

이송장치 개발

1. 동력 발생 장치

  (1) 서보 모터 : 클로즈드 루프 제어(Closed loop control) 방식으로 위치 피드백을 통해 정밀한 제어가 가능하다.

  (2) 스테핑 모터 : 오픈 루프 제어(Open loop control) 방식으로 위치 피드백 없이, 전기 신호(pulse)로 원하는 만큼의 회전량을 만든다.
  (3) 선형 모터 : 고정자와 회전자가 원통 형상이 아닌 평면 형상이다. 고가이지만 백래쉬가 없어 고정밀 제어가 가능하다.

2. 동력 전달 장치

  (1) 볼 스크류 : 볼 베어링의 구름 접촉을 통한 부드러운 이송을 구현한다. 높은 하중을 비교적 낮은 마찰로써 이송하고자 할 때 사용한다.

  (2) 기어, 벨트 조합 : 회전 운동을 직선 운동으로 전환한다. 간단하며 작은 이송력을 필요로 할 경우 많이 사용한다.

3. 직선 이송 가이드(Linear Motion guide)

  - 모터로부터의 동력을 정밀 직선 이송으로 구현하기 위해 사용된다. 직선 이송뿐만 아니라 하중을 지탱하는 역할도 한다.

4. 엔코더

  (1) 로터리 엔코더 : 모터의 회전축과 연결하며, 슬릿으로부터 검출된 LED 광 신호를 인식하여 회전량을 측정한다.

  (2) 선형 엔코더 : 이송 축에 부착된 미세한 자(scale)를 광학, 자기 등의 방식으로 읽는다.

  ※ 엔코더만으로는 절대 좌표를 읽을 수 없으므로 홈 센서(home sensor)를 사용한다.

5. 이송 장치 부품 선정 시 고려 사항

  - 이송 분해능, 이송 정밀도, 반복 정밀도, 백래쉬, 이송 속도, 이송 하중

수평인식장치 개발

1. 수평 인식 방법

  <접촉식>

  (1) LVDT : 피측정물에 프로브(자석)가 닿아 움직이면 솔레노이드에 유도 전류를 발생하여 위치를 인식한다.

  (2) 마이크로미터 : 수동으로 스핀들을 회전시켜 측정 프로브와 피축정물과의 접촉을 통해 눈금을 읽는다.

  <비접촉식>

  (1) 자기 저항식 변위 센서 : 조형 받침대에 자석을 설치하여, 자기의 세기를 감지하여 변위를 검출한다.

  (2) 정전 용량형 변위 센서 : 두 전극 사이의 정전 용량의 변화를 감지하여 변위 검출에 사용한다. 피측정물과 센서부가 전도성 소재여야 하며 원거리 측정에는 사용이 어렵다.

  (3) 초음파 변위 센서 : 음파를 조형 받침대로 발사하고 반사되어 돌아오는 시간을 계산하여 거리를 측정한다.

  (4) 인덕턴스 변위 센서 : 인덕션 코일로 자기장을 형성하고 외부 금속 물체에 의한 유도 전류값을 측정하여 변위 정보를 얻는다. LVDT와 동일한 원리이며, 조형 받침대가 금속이어야 한다.

  (5) 광학식 변위 센서

2. 공정별 조형 받침대 수평 맞추기

  (1) 광조형(SLA) 방식 : 별도의 수평 맞춤 공정이 없다.

  (2) 선택적 소결(SLS) 방식 : 별도의 조형 받침대가 없으며 별도의 수평 맞춤 공정이 없다.

  (3) 제팅(Jetting) 방식 : 제팅헤드와 조형 받침대 사이의 거리가 평형을 이루어야 한다.

  (4) FDM 방식 : 수평 제어가 필요하다.

3. 자동 수평 맞춤 장치

  - 최소 세 지점에 대해 거리를 측정하여 수평을 맞춘다. 조형 받침대는 최소 세 점 이상 빌드 방향으로 미소하게 이송할 수 있는 장치가 구비되어야 한다.

소재사용장치 개발

1. 광조형(SLA) 공정

  - 공정 특성상 수조 내에 있는 재료는 양이 부족하기 전까지 계속하여 사용할 수 있으므로 특별한 재사용 공정이 필요없다. 오랜 시간 방치하여 점도가 상승한 경우 새로운 수지와 섞어 사용한다. 한번 경화되어 제작된 형상은 재활용이 불가하다.

2. 제팅(Jetting) 공정

  - 서포트 재료는 재사용이 불가하고, 별도의 재사용 공정이 없다. 사용 재료는 경화성 재료이므로 재활용이 불가하다.

3. FDM 공정

  - 재료가 열가소성이므로 사용하고 남은 재료 모두 재료 압출기를 사용하여 새로운 필라멘트를 만들 수 있다.

4. 선택적 소결(SLS) 공정

  - 메인 가공 챔버 내의 재료는 다음 가공을 위해 적절한 배합을 통한 재사용이 필요하다.

5. 공정별 소재 재사용을 위한 핵심 부품

  (1) FDM : 필라멘트 압출기, 필라멘트 수집 장치

  (2) SLS : 진공 펌프 및 집진 장치, 교반 장치 및 필터

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2019년 3D프린터개발산업기사 필기 기출문제 풀이

26. FDM과 DP(Direct Print)를 이용한 하이브리드 3D프린터에 관한 설명으로 틀린 것은?

① 복합화할 때 각 헤드를 1개 이상씩 다수 설치할 수 있다.

② 복합화 된 FDM은 ABS 등 기존 FDM 소재를 이용할 수 없다.

  (기존 소재 사용 가능)

③ 복합화 된 DP 공정에 바이오 잉크를 사용할 경우 조직공학 등 의료분야에 응용할 수 있다.

④ 복합화 된 DP 공정에 전도성 잉크를 사용할 경우 PCB 등의 기판 대용품을 제조할 수 있다.

 

28. 초점면에서의 레이저 빔의 크기(W)와 레이저의 파장(a), 광학계로의 입사하기 전의 레이저 빔 직경(D) 및 광학계의 초점 거리(F)간의 상관관계 식으로 옳은 것은?

 

29. DLP 방식 3D프린터에서 광학계 평가 항목으로 가장 적절한 것은?

① 주사장치의 정밀도

② 광 패턴의 정밀도

  (나머지는 SLA 방식)

③ 레이저 빔의 모양

④ 광원 초점의 크기

 

32. 광학모듈 설계 시 고려해야 할 사항으로 틀린 것은?

① 주사방식에서는 전 영역에 고르게 초점이 생성될 수 있도록 초점렌즈를 사용한다.

② 가공 전체 영역에서 초점면을 재료 표면과 일치시키기 위해서 특수 렌즈를 사용한다.

③ 액상소재 성형을 위한 광학모듈 설계에서 광원의 파장대는 액상소재의 광 개시제의 파장보다 커야 한다.

  (광원의 파장대는 광 개시제 파장대 영역 내에 있어야 한다.)

④ 전사방식의 광원은 램프광을 많이 사용하고, 광의 파장대가 넒으면 넒을 수록 광의 오차가 많이 발생한다.

 

33. 폐루프 제어(closed loop control)방식으로 위치 피드백이 가능한 모터는?

① 서보 모터

② BLDC 모터

③ 스테핑 모터

④ 리니어 펄스 모터

 

35. 다음 하이브리드 3D프린터에 관한 설명 중 ( ) 안에 들어갈 용어로 알맞은 것은?

( A )은 금속 박판을 초음파 에너지를 이용하여 기판과 접합시키고 가공을 거쳐 3차원으로 성형하는 공정이다. 이 공정은 결합된 박판 아래층에 가공된 재료가 없을 경우 처짐현상이 발생한다. 따라서 ( B ) 공정을 이용하여 빈 공간에 서포터 형상을 제작하여 상호 보완한 하이브리드 3D프린터가 있다.

① A : DMLS, B : CNC

② A : FDM, B : DP

③ A : DP, B : 광경화

④ A : UC, B : FDM

 

37. 수평 인식 장치에 사용되는 접촉식 변위 센서는?

① 인덕턴스 변위 센서

② 자기 저항식 변위 센서

③ 정전 용량형 변위 센서

④ LVDT

 

39. PBF 및 DED의 출력물의 표면거칠기 한계를 극복하기 위해 CNC 공작기계와 결합하여 만들어진 3D프린터는?

① FDM과 DP를 이용한 하이브리드 3D 프린터

② DP와 CNC 공작기계를 이용한 하이브리드 3D프린터

③ SLA와 CNC 공작기계를 이용한 하이브리드 3D프린터

④ DMLS와 CNC 공작기계를 이요한 하이브리드 3D프린터

  (PBF = Powder Bed Fusion, DED = Direct Energy Deposition, DMLS=Direct Metal Laser Sintering. 분말 방식으로 표면이 거칠다.)