금속 필라멘트를 이용한 3D 프린팅 기술 연구 및 성형회로 부품 제조 기술 개발 : Development of 3D printing technology using metal filament and its application to the fabrication of MID :

장남훈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장남훈 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 박 근

발행연도: 2020

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수10

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

금속 필라멘트를 이용한 3D 프린팅 기술 연구 및 성형회로 부품 제조 기술 개발 : Development of 3D printing technology using metal filament and its application to the fabrication of MID

장남훈 기계설계로봇공학과 2020.01 학위논문

2019

압출적층형 금속 프린팅 기술을 활용한 3 차원 성형회로 부품 제조기술 연구

장남훈 , 박근 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2019.10 학술대회자료

금속 프린팅 기술을 이용한 성형회로 부품 제조기술 연구

장남훈 , 유정희 , 박근 대한기계학회 논문집 A권 2019.08 학술저널

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전자제품의 소형화 및 다기능화 추세가 강한 최근, 비전도성 고분자 소재로 제작된 부품 표면에 전자회로를 성형하여 제작한 성형회로부품의 수요가 증가하고 있다. 본 연구에서는 플라스틱 부품 표면에 전자회로가 성형된 성형회로 부품의 제조를 압출적층형 제조 방식을 적용하여 개발하였다. 열가소성 고분자 플라스틱 소재를 사용하여 모재를 제조하였으며, 전자회로의 성형은, 모재 표면에 저융점 금속 필라멘트를 압출하는 방식을 사용하였다. 저융점 금속 소재의 압출에 적합하도록 노즐의 설계를 변경하였으며, 노즐의 설계 변경을 위해 수치 해석을 통한 전산모사를 수행하였다. 유리전이온도가 존재하는 고분자 프라스틱 소재는 소재의 특성상 유리전이온도에 도달하면서 유동성을 갖고 압출되는 필라멘트의 구동력을 전달받아 프린팅을 수행한다. 유리전이온도가 없는 금속 소재는 융점에 도달하는 즉시 액체 상태로 상변이하면서 필라멘트로부터 전달되는 구동력을 전달받지 못하며, 이에 일반적인 형태의 노즐로는 압출이 불가능하다. 따라서 이를 분석하기 위해 노즐의 열특성을 수치적으로 분석하였으며, 이를 기반으로 노즐을 개선하고 도선의 프린팅 최적 조건을 얻기 위한 연구를 수행하였다.
도선과 플라스틱 부품 간의 분리 방지를 위해 플라스틱 부품 표면에 언더컷 형상의 채널을 적용하였으며, 채널의 내부에 금속 필라멘트를 압출하는 방식으로 프린팅을 수행하였다. 또한, 곡면에서의 프린팅에 적합한 프린팅 조건과 채널 형상을 얻기 위한 실험을 수행하였으며, 곡면 프린팅을 활용하기 위해 레이저 포인터를 설계하고 금속 필라멘트의 프린팅으로 회로를 성형하는 것으로 연구 결과를 검증하였다. 마지막으로 금속 필라멘트를 활용한 압출적층을 수행하였으며, 금속 필라멘트가 가진 높은 표면장력에 따른 최적의 프린팅 조건을 얻기 위해 연구를 수행하였다. 금속 필라멘트를 사용한 압출적층 조건을 최적화하였으며, 경사각이 존재하는 피라미드 형태의 형상을 출력하여 금속 필라멘트를 사용한 압출적층을 구현하였다.

Recently, the demand for molded circuit components manufactured by molding electronic circuits on the surfaces of parts made of non-conductive polymer materials is increasing. In this study, the production of molded circuit components with electronic circuits formed on the surface of plastic parts was developed by applying the extrusion lamination method. The base material was manufactured using a thermoplastic polymer material, and the molding of the electronic circuit used a method of extruding a low melting point metal filament on the surface of the base material. The design of the nozzle was changed to be suitable for the extrusion of low melting point metal materials, and the computer simulation was performed through numerical analysis to change the design of the nozzle. Polymeric plastic material having glass transition temperature is printed by receiving driving force of extruded filament with fluidity while reaching glass transition temperature due to the characteristics of the material. As soon as the melting point reaches the melting point, the metallic material does not receive the driving force transmitted from the filament as it phase-changes into the liquid state. Therefore, in order to analyze this, the thermal characteristics of the nozzles were numerically analyzed. Based on this, the study was performed to improve the nozzles and to obtain the optimum printing conditions of the lead wires.
An undercut channel was applied to the surface of the plastic part to prevent separation between the conductor and the plastic part, and printing was performed by extruding a metal filament inside the channel. In addition, experiments were performed to obtain printing conditions and channel shapes suitable for printing on curved surfaces. The results of the study were verified by designing a laser pointer and forming a circuit by printing metal filaments to utilize curved printing. Finally, extrusion lamination using metal filaments was carried out, and research was conducted to obtain optimum printing conditions according to the high surface tension of metal filaments. Extrusion lamination conditions using metal filaments were optimized, and the extrusion lamination using metal filaments was realized by outputting a pyramidal shape with an inclination angle.

#3D 프린팅 #적층 제조 #3차원 프린팅 #저융점 금속 #금속 프린팅 #FDM

요약 ⅰ
표목차 ⅱ
그림목차 ⅲ
기호설명 vi
1. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 현황 4
3. 연구 목적 7
2. MID 3차원 프린팅 공정 9
1. MID 3차원 프린팅 공정 시스템 9
1.1 MID 3차원 프린팅 공정 시스템 개요 9
1.2 MID 3차원 프린팅 공정 시스템 구성 10
2. MID 3차원 프린팅 공정에 적합한 소재 선택 12
2.1 전기전도성 고분자 소재 필라멘트 분석 12
2.2 저융점 금속 소재 필라멘트 분석 15
3. 저융점 금속 소재 필라멘트 프린팅에 적합한 노즐 설계 18
3.1 금속 소재 특성에 따른 역류 현상 고찰 18
3.2 Type 2 노즐의 프린팅 결과 분석 20
3.3 열 해석을 활용한 역 구배 형상 노즐 설계 22
4. 곡면 프린팅을 위한 G-code 작성 25
3. 저융점 금속 필라멘트의 평면 프린팅 실험 28
1. 2차원 평면 프린팅 실험 28
1.1 적층면과 노즐 사이 거리에 따른 최적 프린팅 조건 28
1.2 금속 소재의 프린팅 후 변형 고찰 31
2. 플라스틱 부품 내부 채널 형상에 따른 실험 34
2.1 채널 형상에 따른 도선 접착력 분석 34
2.2 곡선 경로를 가진 회로의 프린팅 36
4. 저융점 금속 필라멘트의 곡면 프린팅 실험 40
1. 곡면 형상 시편 채널 내부의 프린팅 40
1.1 곡면 길이 및 채널 형상에 따른 고찰 40
1.2 곡면 재설계에 따른 실험 43
2. 레이저 포인터 회로 프린팅 47
2.1 레이저 포인터 회로 설계 47
2.2 레이저 포인터 프린팅 48
5. 저융점 금속 필라멘트를 사용한 압출 적층 실험 50
1. 금속 필라멘트를 사용한 압출 적층 개요 50
2. 층 간 높이에 따른 프린팅 조건 최적화 51
2.1 금속 소재의 표면 장력에 따른 프린팅 조건 고찰 51
2.2 층 간 높이 조절에 따른 프린팅 경향 분석 53
2.3 열린 경로를 사용한 금속의 압출 적층 결과 고찰 55
3. 구배가 있는 형상의 프린팅 57
3.1 형상의 구배각에 따른 프린팅 경향 분석 57
3.2 층 간 접촉 면적에 따른 프린팅 경향 분석 59
6. 결 론 61
참고문헌 64
영문초록(Abstract) 68
감사의 글 70

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