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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.3 pp.33-40
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.3.033

The Basic Study of Internal Temperature Variation in a 3D Printer(FDM-type) Chamber

Geun-Sik Shin*, Hyun-ku Kweon**#, Yong-Goo Kang***
*Department of Mechanical Design Eng., Graduate School KIT UNIV.
**Department of Mechanical System Eng., KIT UNIV.
***Department of Mechanical Design Eng., KIT UNIV.
Corresponding Author : hyunkyu125@gmail.com Tel: 054-478-7347, Fax: 054-478-7319
27/09/2018 21/09/2018 05/12/2018

Abstract


FDM 3D printers have become widespread, and investment in the 3D printer industry is increasing. Therefore, many 3D printers are released and the functions of products are emphasized. However, to lower unit prices, open-type 3D printers are sold in kit form, and their performance is very low. If the 3D printer has many heat sources and is sealed, there is the possibility that the main accessories (the main board, power supply, and motor) will be damaged by trapped heat. At the same time, if the ambient temperature is low due to the properties of the material, the output quality deteriorates. In this study, we analyzed the temperature rise of the main accessories and the quality of the output by the heat bed when a chamber was added to an open-type 3D printer. We also compared the quality of the output due to the air flow with the temperature rise of the main accessories. Moreover, we found the optimal value. As a result of the quality analysis, it was finally confirmed that the case with the chamber at 95˚C was the best for the printing condition. In addition, in the absence of the chamber, the bending of the specimen was found to be large, and in the case of the chamber, the degree of bending was slightly decreased by 0.05 mm.



3D 프린터의 챔버 내부온도 변화에 대한 연구

신 근식*, 권 현규**#, 강 용구***
*금오공과대학교 대학원 기계설계공학과
**금오공과대학교 기계시스템공학과
***금오공과대학교 기계설계공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    현재 각종 언론에서 이슈화되고 있는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터의 경우 해 외 기업뿐만 아니라 국내 기업들 또한 뛰어들어 판 매에 열을 올리고 있다. 이러한 쾌속 조형은 과거 에도 있었지만 이처럼 집중적으로 주목받고 있는 이유는 최근 만료된 국제특허권 때문이다.

    또한 3D 프린터는 4 차 산업혁명의 근간인 소비 자 맞춤형 생산과 유통, 물류 서비스의 기반 같은 특징을 갖춘 대표적인 기술이며, 현재 업계에선 Prototyping 제품들 중 3D 프린터로 출력한 것들이 23%에 이르는 것으로 추산하고 있다[1].

    일반적으로 시중에 판매되고 있는 3D 프린터 메 이커사로 3D SYSTEMS사와 STRATASYS사가 있고, MakerBot이나 오픈크리에이터와 같은 해외 및 국내 FDM 전문 프린터 판매 업체부터 RepRap 프로젝트 에 의해 개발된 저가형 3D 프린터까지 다양한 제 품들이 나오고 있다[2].

    저가형 프린터 중 Kit형 제품과 같이 조립식인 프린터는 내부가 열려있는 개방형 3D 프린터이다. 이를 제외한 STRATASYS나 중소기업 제품들은 밀 폐형이 많은데 프린터 자체에 열원이 많고 밀폐시킬 시 유동되지 않는 열로 인해 주요 부속품에 이상이 발생할 수도 있으며, 제품 단가가 올라가기 때문에 밀폐를 생략하는 경우가 많다. 또한 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 수지와 같이 온도에 따른 성형수 축[3]이 존재할 경우 주변 온도를 일정하게 유지시 켜야 하지만 주위 온도가 내려가게 되면 출력물이 냉각되면서 수축되는 현상을 볼 수 있다.

    본 논문은 개방형 프린터에 Chamber를 설치하여 내부 온도를 일정하게 유지시키고 주 열원인 Bed부 의 온도를 측정하여 Chamber 내 Main Board와 Motor 및 Power Supply 위치에서의 온도상승과 각 외부조건에 의한 출력물의 품질과의 관계를 분석하 고자한다.

    2. 3D 프린터와 열화상 카메라

    2.1 FDM 방식 3D 프린터

    FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린터는 열 가소성 물질을 노즐 안에서 녹여 얇은 필름 형태로 출력하여 적층하는 방식인 용융적층조형술[4] 로 비 교적 구하기 쉽고 프린터 자체나 사용재료가 값이 비싸지 않아 일반인들이 쉽게 구할 수 있다. 다만 단조로운 색상과 적층이 보여서 후가공이 필요하고 플라스틱을 녹여서 만들다보니 노즐이 막히거나 외 부온도에 민감하여 Model이 비정상적으로 제작될 수 있기 때문에 Park 등의 정밀 제작이 가능한 FDM방식의 3D 프린터 개발[5]과 Seol 등의 FDM 방 식으로 제작된 ABS 재료의 피로 특성평가[6]와 같이 출력물에 대한 정밀도와 성형성 향상 및 프린터물 의 문제점을 해결하기 위한 연구들이 진행되고 있 다. 이러한 FDM 3D 프린터는 타 프린터와 비교 했을 때 출력물 강도와 내구도가 높고, 제품에 대 한 수정이 가능하여 출력 오류를 빠르게 찾을 수 있는 장점을 가진다.

    사용 방법도 간단해 국내의 경우 3D 프린터 강 사들이 많아지고 있고, 일반 미취학 아동이나 성인 을 대상으로 교육을 목적으로 사용하기에 알맞다. Fig. 1은 이런 FDM 방식의 초기 모델인 Direct Mendel방식 3D 프린터이다[7].

    2.2 열화상 카메라

    열화상 카메라는 적외선을 이용한 영상 온도계 로 적외선 영역은 전자 스펙트럼 상에서 0.7 - 300 μm이나 열적외선 영상 획득에 이용되는 부 분은 3 - 14 μm의 범위에 한한다. 열적외선 사진 은 비가시역 에너지를 이용하는 방법 중 하나로써 특히 물체로부터 방사되는 열에너지를 탐사하거나 기록하고자 할 때 우수한 성능을 발휘한다.

    하지만 유리나 빛이 반사되는 물체의 경우 비치 는 대상의 열을 측정하므로 주의가 필요하다. 또 한 물체 표면의 온도를 측정하므로 열원의 전도에 의한 온도 측정은 가능하나 열대류를 직접적으로 볼 수 없으며 장애물이 있을 경우, 뒤에 열원이 있어도 가려져서 볼 수 없다.

    본 실험에서 사용한 장비는 메르스 고열감지용 (160×120 pixels) EasIR 4로 뉴텍계기 사의 제품이 며 온도 범위는 -20℃에서 250℃ 사이다. 0.1℃의 정밀한 온도 분해능으로 수동 초점 기능이 탑재되 어 있다.

    3. Chamber 내 공기 유동 해석

    3.1 평판 위 Reynolds 수 결정

    출력물 정밀도 향상을 위하여 출력 공간 하부에 Heat Bed[8] 부를 설치하지만 Bed의 열원에 의해 정체된 공기의 온도 상승으로 주요 부속품들의 열 화현상이 발생할 수 있다. 이에 Chamber 및 Fan (SST-AP182 Model)을 통해 공기를 강제로 움직였 을 때의 공기 유동 장을 파악하여 주요 부속품들 의 위치를 선정할 수 있어야 한다.

    구조가 복잡하여 단순한 이론식으로 구하기 힘 든 3D 프린터 내 공기 유동을 확인하기 위하여 ANSYS Workbench를 통해 결과를 도출하고자 한다. 이 때 필요로 하는 Chamber 내 유입 조건인 Reynolds 수를 결정하기 위해 정상상태에서의 이 상기체라 할 때, 1 기압에서 물성 치 막 온도를 Tf라 정의한다면 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다. Fig. 2

    T f = ( T s + T ) / 2
    (1)

    Tf=47.5℃에서 동점성 계수 v = 1.83×10-5m2/s, V=3.1 m/s, L=0.2m라 하면, 한 면이 0.2×0.2 m2 인 Bed 위 Reynolds 수는 다음과 같다. Fig. 3

    Re L = V L v
    (2)

    평판 위 유동에서 층류로부터 난류로 천이되는 Reth≅ 1×105로 식 (2)처럼 ReL=0.338×105 < Reth이 므로 공기는 층류로 움직이며 이를 통해 3.2절의 해석조건을 층류로 두고 계산해야 한다[9]. Fig. 4

    3.2 공기 유동 해석

    Kang 등의 극한 환경 시험을 위한 극저온 챔버 의 CFD 해석 및 에너지 효율 평가에 관한 연구[10] 를 보면 Fig. 5와 같이 밀폐계 내 장애물로 인한 내부 유동을 벡터로 표시해 확인할 수 있다. 이와 동일하게 공기 유동을 위해 Fan의 위치를 선정하 여 Chamber를 설계하고, Main Board 및 Power Supply, Motor와 같이 온도 상승에 따라 영향을 받는 요소의 위치를 확인하여 Camber 내 공기 유 동 장을 확인한다.

    다음 Fig. 6은 Mendel i2의 Modeling 및 Chamber 를 통해 해석할 영역에 대한 간략한 모식도이다. Chamber 내 프린터가 존재하며 해석을 위해 유동 범위를 지정하고자 프린터 체적 외의 영역만을 해 석범위로 잡는다. 또한 유동 입구인 Fan을 Inlet으 로, Chamber 상단 부를 Outlet으로 지정한다.

    실험 장비와 유사하게 Chamber(0.5×0.5×0.5 m3) 및 3D 프린터를 설계하고 Inlet에 들어가는 Fan (SST-AP182 Model) 공기 유속인 3.1 m/s를 입력한 다. 해석 결과 Fig. 8과 같이 온도에 민감한 Main Board와 Power Supply의 위치 별 공기 유동 장은 Fig. 9와 같으며, Main Board 위치에서는 0.78 m/s, Power Supply 위치에서는 1.5 m/s로 유속은 Power Supply 위치가 빠르나 유량의 경우 Main Board 위 치가 더 많음을 확인할 수 있다. 이를 통해 공기 유동에 의한 냉각 유무를 판단할 수 있다.

    4. 실험방법 및 데이터 분석

    4.1 시편 및 실험조건

    실험을 위해 FDM 방식 3D 프린터에서 제작할 시편을 Modeling한다. 측정을 위해 50×50 mm2의 2t 판형을 Printing 한다. 이 때 슬라이스 프로그램에 입력할 입력 값으로는 Table 1과 같다.

    외부 경계조건으로 20℃로 유지된 실내에서 21% 습도로 유지하였을 때 같은 제품(Mendel i2 Model) 으로 33 분 동안 Printing한다는 전제로 실험하였다.

    4.2 Chamber 유무에 따른 실험방법

    실험에 앞서 Chamber의 경계조건을 확립시키기 위해 Chamber의 유무에 따른 외부조건들을 4.1절 과 같이 일정하게 유지시켰다. 이후 단순 Chamber 와 열 유동을 위한 Chamber 내 Fan이 설치된 Model을 놓고 비교한다.

    Fig. 10은 Chamber 내 온도 상승으로 인한 주요 부품들의 온도 확인을 위해 열화상카메라를 배치 한 사진이다.

    실험을 위해 실험 군을 앞서 설명한 데로 총 3 개로 나누는데 Chamber가 없는 경우와 Chamber가 있는 경우, 공기유동이 가능한 Chamber가 있는 경 우로 나눈다. 완전 밀폐가 아닌 상단부가 열린 형 태에서 열화상 카메라가 내부를 측정할 수 있도록 Fig. 11와 같이 상단이 뚫린 폐쇄계 형상으로 Chamber를 설치한다.

    Chamber 유무에 따른 내부온도 분포가 3D 프린 터에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위해 온도 에 민감한 Main Board, Power Supply, Motor가 Chamber로 인한 온도의 상승 폭을 열화상 카메라 를 통해 측정한다.

    Fig. 12는 열화상카메라로 촬영한 화면으로 최 대 온도를 85℃로 고정하고 최소 온도를 5℃로 잡 아 기준 온도로 놓는다. 열화상카메라로 본 온도 분포도는 Fig. 13와 같고 1번부터 3번까지의 번호 는 주요 부속품의 위치 및 명칭을 의미한다.

    4.3 출력물 및 Chamber 내 데이터 분석

    ABS 플라스틱 특성상 제품 성형 시 상온에 그 대로 노출되었을 경우 수축으로 인하여 제품이 Fig. 14와 같이 휨이 발생하게 된다.

    휨 상태를 측정하기 위해 Table 2와 같이 ABS 재질로 Printing하여 출력된 시편을 각 실험조건 별로 비교하고자 한다. 이 때 시편 번호는 Chamber의 유무를 나타내며 시편1은 Chamber가 없을 경우, 시편2는 Chamber가 있었을 경우를 의 미한다. 시편6은 Chamber가 있고 Fan(3.1 m/s)을 통해 정면의 Inlet 지점으로 20℃의 공기가 들어갈 때를 말하며, 시편6-1은 Bed 온도를 95℃로 높였 을 때를 의미한다.

    Fig. 15을 통해 알 수 있듯이 Chamber 유무에 따른 품질 및 휨 정도가 다름을 확인 할 수 있는 데, 이러한 휨 정도를 측정하기 위해 Fig. 16과 같 이 상 하단부에 평판을 덧댄 뒤 최대 높이를 측정 한다.

    시편의 두께 t가 2 mm일 때 실제 휨은 Table 3과 같으며, 품질의 경우 Stratasys 사의 출력물(Very High)을 기준으로 할 때 정성적으로 나타내었다.

    Fig. 17에서 알 수 있듯이 Chamber가 없었을 시 온도 분포는 대단히 낮지만 Chamber가 있었을 경 우 열이 밖으로 빠져나가지 못하고 갇히게 되면서 각 주요 부속품의 온도가 상승하는 것을 볼 수 있 다. 특히, Motor에서의 온도 상승의 경우 시작 전 과 크게 다르지 않았지만 Main Board와 Power Supply 경우 출력이 시작되는 시점부터 고온으로 측정됨을 알 수 있다. Fan을 사용했을 경우 Main Board와 Power Supply의 일부분이 상승하였으나 큰 폭으로 오르지는 않았다. 이 후 정확한 온도 상승을 알아보고자 열화상 카메라를 이용하여 각 부속품별 최고 온도를 Fig. 18과 같이 정리하였다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 개방형 프린터에 Chamber를 추가 하였을 때 내부 온도를 일정하게 유지시켰을 경우, 주 열원인 Bed 부로 인해 주요 부속품 온도 상승 및 출력물의 품질 측정을 하였으며 다음과 같은 결 론을 얻었다.

    1. Chamber가 없었을 경우, 큰 폭으로 시편의 휨 을 알 수 있었고, Chamber가 있었을 시 출력한 시편의 경우 0.05 mm 차로 휨 정도가 약간 떨 어짐을 알 수 있다. 이 때 Chamber 내로 강제 대류를 위해 Fan을 사용한 결과, Bed 온도를 달리한 75℃와 95℃의 경우 Bed 온도가 높은 95℃에서의 시편의 휨이 Chamber가 없었을 때 보다 20% 덜 휨을 측정을 통해 확인 할 수 있 었고, Chamber가 없었을 때의 시편을 육안으로 확인하였을 때 품질 또한 떨어짐을 알 수 있다.

    2. 열화상카메라를 통한 4가지 실험 조건에 의해 온도를 확인한 결과 Motor는 Chamber에 관계없 이 20℃이하로 영향을 받지 않는 것으로 보인 다. Chamber가 없었을 경우 Main Board와 Power Supply의 온도는 자체적으로 발생되는 열만이 확인되었으며, Table 3과 같이 출력물의 품질이 떨어지므로 Chamber가 있는 상태에서의 결과 값들로 비교해야 한다. Fan을 달았을 경우 일반 Chamber와 비교하였을 때 Main Board에서 는 21.9%로 낮아졌으며, Power Supply는 12.7% 로 덜 낮아짐을 알 수 있다. 이는 유동 해석을 통해 각 영역에서 0.78 m/s 및 1.5 m/s의 공기 유동으로 인한 온도 하락을 의미하며, Power Supply의 경우 유량이 Main Board에 비해 상대 적으로 적어 부속품을 충분히 식히지 못한 것 으로 보인다.

    3. 공기 유동에 의한 주요 부속품의 온도하락을 Fig. 18을 통해 확인하였으며, 이에 따른 품질 비교 값인 Table 3과 함께 분석한 결과, Bed 온 도 95℃에서의 Chamber가 있을 경우가 Printing 조건에 가장 적합함을 최종적으로 확인하였다.

    후 기

    이 연구는 금오공과대학교 학술연구비에 의하여 지원되었음(2017-104-106)

    Figure

    KSMPE-18-3-33_F1.gif
    3D Printer Model(Mendel i2)[7]
    KSMPE-18-3-33_F2.gif
    Thermometer Camera
    KSMPE-18-3-33_F3.gif
    Temperature distribution of 3D Printer
    KSMPE-18-3-33_F4.gif
    Boundary condition(Heat Bed)
    KSMPE-18-3-33_F5.gif
    Analysis of Air Flow on a Wall[10]
    KSMPE-18-3-33_F6.gif
    Chamber(L) & 3D Printer(R) of 3D Model
    KSMPE-18-3-33_F7.gif
    Boundary condition(Inlet & Outlet)
    KSMPE-18-3-33_F8.gif
    Main accessory position(Board & Supply)
    KSMPE-18-3-33_F9.gif
    Air Flow Field Analysis(Board & Supply)
    KSMPE-18-3-33_F10.gif
    Temperature measurement method
    KSMPE-18-3-33_F11.gif
    Chamber structure(Inlet & Outlet)
    KSMPE-18-3-33_F12.gif
    Temperature range & Measurement point
    KSMPE-18-3-33_F13.gif
    Temperature distribution of Thermal Camera
    KSMPE-18-3-33_F14.gif
    Bending position of Specimen
    KSMPE-18-3-33_F15.gif
    Output quality(Specimen 1, 2, 6 ,6-1)
    KSMPE-18-3-33_F16.gif
    Bending measurement method
    KSMPE-18-3-33_F17.gif
    Temperature distribution in the chamber
    KSMPE-18-3-33_F18.gif
    Relation between Temperature and Chamber type

    Table

    3D Printing conditions(Slice Program)
    Mechanical Properties of ABS Resin
    Bending measurement value according to chamber condition

    Reference

    1. Jeong, H. J., “Fourth Industrial Revolution, Why 3D printers get attention,” ZDNet Korea, March, 2017, from http://www.zdnet.co.kr/news/news_view.asp?artice_id=201703 15153729
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