재활 보조기기를 위한 FDM 3D프린팅 기반 PLA 출력물의 어닐링에 따른 최적화

김용래; 이선우; 김주형; 권장우; 이선곤

doi:10.21288/resko.2020.14.1.50

주제분류

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저널정보

한국재활복지공학회
재활복지공학회논문지 학술저널
재활복지공학회논문지 제14권 제1호
2020.2 50 - 58 (9page)
DOI : 10.21288/resko.2020.14.1.50

저자정보

김용래 (인하대학교)
이선우 (인하대학교)
김주형 (인하대학교)
권장우 (인하대학교)
이선곤 (인하대학교)

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3D프린터를 활용한 맞춤형 재활 기기를 제작하기 위해서 3D 프린팅으로 제작된 부품의 약한 기계적 강도와 내부 결함을 확인하기 어렵다는 점이 있다. 본 논문에서는 Poly Lactic Acid(PLA) 필라멘트를 이용하여 Fused Deposition Manufacturing(FDM) 3D프린터 출력 시 출력 온도와 출력속도, 적층 각도에 따른 기계적 강도에 미치는 영향을 인장실험을 통하여 알아보고 어닐링 방법을 통하여 기계적 강도 향상과 내부결함 판단법을 제안하고자 한다. 최적 출력 방법과 플라스틱 사출에서 주로 사용하는 어닐링 기법을 FDM 3D프린터에 적용하였고, 최적 어닐링 온도와 효과를 제안하였다. 이를 통해 맞춤형 재활 기기 제작 시 기계적 강도에 대한 이슈를 해결하고자 한다. 본 논문에서 제안하는 출력 조건은 온도 220℃ 출력 시 형상 오차가 적고 강도가 강했으며 어닐링 시 23%가 증가하였으며, 출력속도 10mm/s 시편의 강도가 가장 강했으며 어닐링 시 강도가 33% 증가하여 가장 효과가 크게 나타났다. 어닐링 온도로는 유리 전이온도 부근인 60℃에서는 모든 시편이 인장강도가 증가했으나, 결정화 온도근방인 105℃에서는 구조적 결함이 존재하는 출력물은 시편이 비틀림, 들뜸 현상에 의한 인장강도의 약화 현상이 발견되었다. 이러한 결과는 맞춤형 재활 기기 제작에서 높은 기계적 강도와 내부결함파악이 중요시 요구되는 부위에 제작되면 효과적으로 이용될 것이다.

Major issues for manufacturing customized rehabilitation devices using 3D printers include weak mechanical strength and difficulty in identifying internal defects. In this paper the effect on the mechanical strength according to the printing temperature the printing speed, and the stacked angle of the FDM 3D printer was recognized through tensile experiment using PLA filament. In addition the optimal printing method and annealing technique which is used primarily in plastic injection, were applied to the FDM 3D printer, and the optimum annealing temperature and effect were recognized. This will solve the issue of mechanical strength in the manufacture of customized rehabilitation devices. The printing conditions proposed in this paper showed the greatest effect with low shape error and strong strength at 220℃ printing temperature, 23% increase in annealing, and 33% increase in annealing of 10mm/s specimen. The tensile strength of all specimens was increased at 60℃ near glass transition temperature, but at 105℃, crystallization temperature, the output with structural defects was twisted and the tensile strength was weakened by lifting phenomena. These results will be effectively used when high mechanical strength and internal defect fractures are made in the production of custom rehabilitation devices.

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