1.서 론

현대에 들어 제품 시장은 고객의 요구(Customer Needs)를 충족시키기 위해 제품 개발 및 설계를 중 점으로 성장하고 있으며, 투자비용은 적게 들고 생 산 단가를 낮춰 이윤을 추구하고자 하는 목적으로 초도품(Prototype) 제작을 위한 신제품 개발에 3D Printing 기법인 쾌속 조형(Rapid Prototyping)을 많이 사용하고 있다. 특히 최근 개발되고 있는 3D 프린 터는 금속 파우더, 플라스틱 등 다양한 재료를 이 용하여 입체 모형을 만들어 낼 수 있다는 점에서 주목받고 있다.^[1]

초도품 제작뿐만 아니라 인체, 일상생활에서도 3D 프린터를 사용하면서 사용범위가 점차 확대되 고 있는 실정이다. 특히 우주공학적 측면에서 볼 때 달 표면에 구조물을 건설하기 위해 3D Printing 기법을 활용하는 방안도 연구 중에 있다.^[2]

따라서 근 미래적으로 볼 때 3D 프린터의 활용 도는 높아질 것으로 보이며 특히 3D Printing 제품 의 생산성 및 품질 면에서 많은 연구들이 진행 되 어 왔다. 3D 프린터로 제작된 부품들은 적층으로 만들어지는 이방성 구조특성으로 인해 NC 가공이 나 압출성형 등으로 제작되는 기성품에 비해 강도 면이나 형상 성형에서 떨어지는 경향이 있다.^[3]

이처럼 3D Printing 기법으로 제작되는 제품의 기 계적 특성은 다양한 인자들에 의해 영향을 받는데 Choi 등의 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 PLA의 물성치에 대한 연구^[4]가 대표적 연구결과이 며, 그 외로 필라멘트(Filament)화 시킨 플라스틱을 녹여 적층하는 FDM 방식에 대한 출력물의 물성치 에 관한 연구가 대다수로 액상형 레진(Resin)을 통 해 광 경화를 이용한 출력물에 관한 연구가 필요하 다. 또한, Park 등의 Polyjet 방식의 적층별 물성평가 연구^[5] 및 Kim의 Polyjet 방식을 이용한 베벨기어의 제작특성에 관한 실험적 연구^[6]는 FDM 방식과 DLP(Digital Light Processing) 방식의 혼합물인 Polyjet 방식으로 UV를 이용한다는 점에서는 비슷 하나 FDM 방식처럼 노즐을 통해 쏘아준 뒤 경화시 킨다는 점에서 액상 자체에서 경화시키는 DLP 방 식, SLA 방식에 대한 제품별 출력물의 물성 치가 필요한 시점이다.

본 연구는 액상형 수지(Resin)인 ART(Acryl Resin) 와 UV로 경화시키는 3D Printing 기법인 DLP 방식 의 3D 프린터를 이용해 제품 생산에 영향을 미치 는 인자를 검토하여 강도, 시간 및 품질에 대해 실 험계획법(DOE, Design Of Experiments)을 통해 최적 의 조건을 얻고자 한다.

2.3D 프린터와 실험계획법

2.1.3D 프린터의 한계

현재 사용되는 3D프린터는 플라스틱을 고온에서 녹여 한 층씩 쌓아 올라가는 적층 방식인 FDM 방 식^[7]으로 구하기 쉽고 프린터 자체나 사용재료가 값이 비싸지 않아 일반인들이 쉽게 구할 수 있다. 또한 소프트웨어 프로그램 또한 오픈소스로 배포되 어 개인이 제작하여 판매 가능하기에 3D 프린터 시장에서 대다수를 차지하고 있다. 다만 물리적 방 식으로 적층하다 보니 정확성 및 정밀도가 떨어지 고 생산 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어진다. 게 다가 기존의 압출로 성형된 플라스틱 제품에 비해 강도가 약하기 때문에 적층 된 모델링에 대한 기계 적 특성에 대한 연구가 진행되어 왔다.

본 논문에서 사용할 DLP 방식의 경우 가격 및 품질 면에서 기존의 FDM 방식에 비교해 제품의 크 기는 작으나 생산성 및 품질이 우수함을 알 수 있 다. Table 1에서는 FDM 방식과 DLP 방식의 3D 프 린터의 제품가격, 사용재료 및 재료비에 관하여 비 교하였다.

2.2.DLP 방식 3D 프린터

DLP 방식은 마스크 투영 이미지 경화방식이라 할 수 있는데 액체 상태의 광 경화성 수지(Photo Polymer Resin)에 DMD (Digital Micro mirror Device) Chip을 이용한 DLP Beam Projector를 사용하거나 LCD(Liquid Crystal Display) Projector를 사용하여 조 형하고자 하는 모양인 디지털 마스크 영역만큼 고 해상도의 자외선을 투사시켜 광중합반응을 유도함 으로써 수지를 경화시켜 적층한다.

DLP 3D 프린터의 대표적인 장점은 출력물의 정 밀도 및 생산 속도이다. 빔 프로젝터에서 쏘는 빛 의 조형이 면 단위로 형성되기 때문에 마이크로 단 위의 적층으로 인한 세밀한 표면조도를 가지며 FDM 3D 프린터의 점단위로 적층했던 방식에서 벗 어나 면단위로 적층되기 때문에 정밀도 및 생산속 도가 월등히 높다.

점단위로 적층시키는 방법 중 DLP 3D 프린터와 유사한 SLA(Stereo Lithography Apparatus)^[8] 방식은 광 경화성 수지에 집적 레이저 빔을 표면에 쏘아주 면서 한 층씩 경화시키는 방식으로 DLP 방식과 비 교하였을 때, 정밀도 측면에서는 SLA가 우수하나 레이저의 한 점으로만 경화시키기 때문에 면단위로 경화시키는 DLP 3D 프린터에 비해 출력속도가 느 리다. 대신 조형물이 거꾸로 매달려 조형되기 때문 에 중력 및 접착력에 의해 실패율이 높아 조형물의 크기가 한정되었다는 점에서 DLP 방식의 단점이 확연하게 들어난다. Fig. 1은 본 연구에서 사용한 DLP 방식의 3D 프린트의 기본구조이다.

2.3.실험계획법

실험계획법(DOE)은 해결하고자 하는 문제를 대 상으로 실험을 행하고, 데이터를 어떻게 취급하며 또한 실험을 통해 얻어진 데이터를 통계적 방법으 로 분석하는 것을 계획하는 데에 있다. 주로 사용 되는 데이터 해석으로 분산분석법, 상관회귀분석, 다변량 해석법, 다구찌 실험계획법 등이 있다. 특 히, 실험 데이터에 수반되는 오차를 가지고 정확한 분석을 행하거나 다수의 요인을 실험하면서 최소의 실험 횟수로 효율을 높이거나 경제성 있는 실험 방 법이 필요한 경우 실험계획법을 통해 보다 효율적 이고 정확한 결론을 얻을 수 있다. 실험계획의 목 적은 크게 4가지로 구분할 수 있는데 이 중 반응 치에 영향을 미치는 인자의 최적조건을 찾기 위한 최적 반응 조건을 결정하는 데에 목적을 둔다. 본 연구는 실험계획법 중에서도 최적 조건을 결정하기 위한 문제로 실험 목적을 달성할 수 있는 최소 인 자와 수준수를 선정한 뒤 시간 및 공간적으로 Random화하는 요인배치법을 이용해 데이터를 분석 하고자 한다.^[9-10]

2.4.요인배치법

요인배치법(Factorial Design)은 실험계획법 중 하 나로 실험인자의 모든 수준 조합에 대해 실험을 진 행 하는 방법으로 2^k 요인 배치와 일반 완전 요인 배치, 부분 요인배치가 있다. 2^k 요인 배치는 인자 가 2개일 때 가능하며 부분 요인배치의 경우 완전 요인 배치에 비해 정보 손실이 생기게 되므로 3개 의 인자를 가지는 3인자 완전 요인 배치법에 의해 문제를 해결하고자 한다. DLP 프린터에서 Printing 될 때 생산성 및 품질이 중요하다. 이에 속도에 직 결되는 요인으로 각 층별 광 노출시간과 z축으로 움직이는 속도, 적층 두께가 대표적인데, 세 인자를 결정하였을 때 이에 따른 결과 값으로 제품 출력 시 걸린 시간, 강도 및 품질을 구하고자 한다.

3.실험방법 및 데이터 분석

3.1.시험편과 실험장치

본 연구에서는 인장시험을 통해 각 조건에 따라 제작된 ART 수지의 시험편의 기계적 특성을 구하 고자 한다. 시험편 제작을 위해 인장강도 측정시험 편 규격 ASTM D638의 플라스틱 재료의 시험조건 을 적용하였다. 규격에 따른 시험편 도면은 Fig. 2 에 나타내었다.

본 실험에서 사용한 DLP 프린터는 (주)이에이스 의 직지 DLP 프린터로써 vivitek사의 D556라는 3000 ANSI 밝기를 가진 UV가 탑재된 프린터이며, DLP 프린터에서 조사된 자외선 영역의 빛(UV)이 수조 내 담겨진 MOODEUNG사의 ART(Acryl Resin) 수지가 층별로 제작되어진다. 본 연구는 일반 아크 릴 시트인 PMMA(Poly Methyl Methacrylate)와 물성 치를 비교하고자 한다. Table 2는 PMMA의 물성치 를 나타내고 있다.

3.2.실험방법

3D 프린터로 제작된 제품에 영향을 주는 실험 변수를 슬라이스 프로그램을 통해 광 노출 시간, 적층 두께, z축 이송속도를 우선 적용하고, 인장시 험을 통해 실험변수 별 인장강도를 측정하여 3인자 에 대한 최대 인장강도를 구한다. Fig. 3은 인장강 도를 측정하기 위해 사용된 인장시험기 INSTRON Model 8800이다.

Table 3은 제작한 시편의 주요 인자로써 이를 바탕으로 3인자에 따른 결과를 비교하고자 한다.

3.3.결과분석

총 걸린 시간은 출력에 영향을 주는 변수들에 의해 결정 되는데 z축 이동시간, 첫 레이어 노출 시간, 나중 레이어 노출시간, 영점 좌표 인식 시 간, 조리개 개폐 시간 및 상단에서 정지한 시간을 합한 값이다. 여기서 모델의 크기(h)는 적층 개수 (x)와 적층 두께(y)의 곱으로 주어진다면 최종 시 간에 영향을 미치는 변수들을 Table 4와 같이 정 리 할 수 있다.

위 데이터를 3인자인 적층두께(y), 레이어 노출 시간(b), z축 이송시간(z)을 미지수로 정리하면(1)(2)

이고, 첫 레이어 적층 개수 x1=3과 Input 값으로 고정될 a=4, 실제 하단부에 머무는 시간 c와 Actuator가 움직이는 시간 d를 실측을 통해 평균 값으로 구한 값인 c=3.5, d=0.48과 적층 개수 x=h/y로 놓았을 때 최종적으로 적층 두께(y)에 대 한 식은 다음과 같이 정리된다.(3)

4.실험결과 및 고찰

4.1.강도

Table 3에서 설명한 3인자에서 2개의 실험 데이 터를 정리하였을 때 총 8개의 인장강도 값이 나오 는데 반복 횟수를 2회로 잡아 날짜를 기준으로 2 블록으로 나눴을 때 총 16번의 인장 시험을 해야 한다. Fig. 4는 적층으로 인한 이방성 Model의 모식 도 및 인장시험을 위한 ART 시편이다.

최종적으로 각 인자 별 결과 치인 인장강도는 다 음의 Fig. 5와 Fig. 6과 같이 정리된다. 이 결과로부 터 광 노출 시간에 따라 인장강도 값이 달라지며 노출 시간이 클수록 강도가 커짐을 알 수 있다.

4.2.속도

최종 걸린 시간은 컴퓨터 내 예상시간과 실제 걸린 시간 및 3.3절에서 정리한 이론 시간으로 나 타낼 수 있으며 Table 5는 3개의 데이터를 정리한 표이다.

이를 통해 실제 걸린 시간에 대한 예상 시간 및 이론 시간의 오차는 0.88%이며 Table 5를 통해 컴 퓨터에서 계산된 데이터와 이론적으로 계산된 데 이터가 0.16%로 거의 일치 하는 것을 알 수 있다.

제품 생산에 필요한 최적의 데이터를 도출하기 위해 결과 치인 최종 시간을 각 인자별로 나누어 Minitab 17으로 분석하였을 때 요인배치법에 의해 다음과 같이 나타내었다.

Fig. 7은 각 요인간의 관계를 그래프를 통해 각 각 나타낸 것으로 Fig. 8을 통해 알 수 있듯이 실 제 걸린 시간은 두께에 따라 큰 차이를 나타냄을 알 수 있다.

Fig. 9는 Time data sheet를 나타낸 것으로, 이 결과로부터 가장 빨리 적층 되는 인자들의 최적 데이터로 광 노출 1초에서 두께 0.1mm로 z축 이 송 시간을 7500ms로 이동하였을 때 1129s의 적층 시간이 걸림을 확인할 수 있었다.

4.3.품질

3인자의 조건 별 제품의 품질 변화에 대한 분석 을 위해 시편을 제작하여 표면의 품질에 대해 알 아보고자 한다. 완전한 원형 적층이 되어야 하나 층을 이루며 구형을 그리기 때문에 두께가 최소여 야 원형에 가까워진다. 이에 광학현미경을 통해 픽셀단위로 완전한 원과 실제 시편 사이에 남는 면적을 구하여 최종 면적에 대한 면적오차가 가장 적은 인자들의 최적의 조건을 구하고자 한다.

Fig. 10은 적층의 두께 별 원이 형성되는 모양을 모식화한 것으로 적층 두께가 얇을수록 구형에 가 까워짐을 알 수 있다. 이에 3D Printing을 통해 품 질에 있어 주요 3인자인 두께 및 광 노출시간과 z 축 이송에 관련하여 실험하였다.

완전한 원을 Printing할 수 없으므로 Fig. 11처럼 Modeling하여 Fig. 12(L)과 같이 광학현미경을 통해 진원에서의 원과 시료의 원 사이 오차를 측정하였 으며, 측정 전 사진은 Photo Shop을 이용하여 흑백 으로 만들어 Image J 프로그램을 사용해 측정할 면 적에서 threshold 항목의 오차면적의 최소치를 선정 한 뒤 Fig. 12(R)과 같이 검정색만 판별하도록 한다. 이 후 analyze하여 원 간의 면적에 대한 오차를 Fig. 13과 같이 pixel단위로 구할 수 있다.

가로×세로 해상도는 96DPI로 1인치 당 96개의 점 이 분포됨을 의미한다. 즉, 25.4mm당 96pixel이며 광학현미경의 접안렌즈 배율이 10×이고 0.65× 배율 로 보았을 때 본 시편보다 6.5배 더 크게 측정된다.

그러므로 1pixel=0.264583/6.5mm이며 한 픽셀 당 0.0407mm이므로 위 데이터들을 정리하였을 때 픽 셀의 총 개수에 픽셀의 가로×세로를 곱한 값이 최 종 오차 면적이며 다음 Table 6으로 나타낼 수 있 다.

Table 6을 통해 알 수 있듯이 3D Printing 전 예 상 면적은 지름 10mm의 원 면적 78.537mm²와 비 교했을 때 적층 두께가 작을수록 면적 오차가 작음 을 보여준다. 하지만 적층 두께 별 예상면적과 실 제면적을 비교하면 다른 인자를 제외했을 때 0.1mm에서는 1.719mm² 정도로 큰 차이가 나지 않 았지만 0.05mm에서는 5.283mm² 정도로 약 10배정 도의 결과를 확인할 수 있었다.

5.결 론

본 연구에서는 DLP 방식의 3D Printing의 최적 조건을 구하기 위하여 3개의 인자인 광 노출 시 간, 적층 두께, z축 이송속도를 변화시켜가면서 강 도 및 최종 시간, 품질에 대한 최적의 값을 얻고 자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.