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Bong-Kee Lee School of Mechanical Systems Engineering

Chonnam National University

CAD/CAM

11. Rapid Prototyping

School of Mechanical Systems Engineering CAD/CAM

Rapid Prototyping

필요성

– 디지털 생산(digital manufacturing) 및 가상공학(virtual engineering)의 발전으로 디지털 시제품을 활용하는 경우가 있으나, 여전히 최종적인 설계 평가를 위한 물리적인 시제품(prototype)이 요구됨 • 디지털 시제품: 소프트웨어적으로 정밀한 3차원 모델을 구축하고 현실감 있게 그래픽 처리한 모델

– 다양한 제품 형상 및 제품 수명주기의 단축으로 시제품의 신속한(rapid) 제작이 요구됨

– 신속 시작(rapid prototyping)의 연구/개발


Rapid Prototyping

개요

– 1970년대 시작된 솔리드 모델링 시스템의 발전을 기반으로 연구/개발됨

– 1980년대 말 3D Systems 사의 SLA (stereolithography apparatus) 장비로 상용화

– 이후, 다양한 신속 시작 방법이 개발되고 있음

– 시제품 제작이 아닌 금형과 같은 성형 도구(tool)를 신속하게 제작하는 RT(rapid tooling) 기술로 발전하고 있는 단계임: 신속 시작 및 제작(RP&M, rapid prototyping & manufacturing)


Rapid Prototyping

개요

– 기본 과정: 박막(thin layer) 적층 기법 • 제작하고자 하는 3차원 형상의 단면을 형성함

• 단면을 한 층씩 쌓아 올라감

• 각 단면들을 결합하여 3차원 형상을 구성

– 물리적 형상을 구성하기 위하여 단면 데이터만 요구됨


Rapid Prototyping

개요

– RP의 대표적인 특징 • 부가가공(addictive process)

• 한 번의 셋업으로 제작이 가능함

• 공정 계획이 필요없음

• 복잡한 형상의 제작이 용이함

• 작업 환경 개선 효과가 큼

– 현대 RP의 대표적인 적용분야 • 제조 산업, 의학 등의 분야


Rapid Prototyping

신속 시작 공정

– 세부적인 성형 방식 • 3차원 형상정보 준비(CAD 모델)

• STL 형식의 파일로 변환

• 전처리기(pre-processor)를 통하여 단면 생성

• 적층하여 실물을 제작

• 후처리 작업: 지지대 제거, 추가 경화, 세척, 표면처리 등

– 재료 및 성형 방식에 따른 대표적인 신속 시작 공정 • 입체 조형(SL, stereolithography), 지표 경화(SGC, solid ground

curing), 선택적 레이저 소결(SLS, selective laser sintering), 박판 적층(LOM, laminated object manufacturing), 용착 적층 모델링(FDM, fused deposition modeling), 3차원 프린팅(3D inkjet printing), 전자 빔 용해(electron beam melting), 레이저 분말 성형(laser powder forming)


Rapid Prototyping


– 입체 조형(SL, stereolithography) • 광경화성 액화 수지(liquid photosensitive polymers)를 자외선(UV) 레이저로 경화시켜 3차원 형상을 제작하는 방식


Rapid Prototyping


– 입체 조형(SL, stereolithography) • 3M corporation, Nagoya prefecture research institute, ultra

violet product inc. 등에서 비슷한 시기에 독립적으로 개발함

• 가장 대표적인 RP&M 방법으로 솔리드 모델의 처리 방식과 인터페이스 등이 다른 신속 시작 방법들의 표준이 됨

• 언더컷 형상의 경우 지지대가 필요하다는 단점이 있음


Rapid Prototyping


– 지표 경화(SGC, solid ground curing) • 기본적으로 SLA 방식과 동일하며, 한 층 전체를 한 번에 경화하여 대명 모델의 제작이 가능함


Rapid Prototyping


– 선택적 레이저 소결(SLS, selective laser sintering) • CO2 레이저로 분말(탄성중합체, 금속 등) 층을 선택적으로 주사하여 가열 융착시켜 부품을 성형


Rapid Prototyping


– 박판 적층(LOM, laminated object manufacturing) • 종이, 플라스틱, 발수 종이, 세라믹, 금속분말 테이프 등의 박판을 적층하고, 해당 층의 모양대로 레이저로 절단하는 과정을 반복하여 3차원 형상을 제작함


Rapid Prototyping


– 용착 적층 모델링(FDM, fused deposition modeling) • 필라멘트 형태의 액상 열가소성 수지를 가열된 노즐로 압출하여 각 층을 형성


Rapid Prototyping


– 3차원 프린팅(3D inkjet printing) • 프린터 헤드가 잉크를 사출하는 잉크젯 프린팅과 비슷하며, 다른 방식에 비하여 비교적 저렴하고 속도가 빠르다는 장점을 가짐

– 3D printer: 액상 접착물질을 사출하여 분말 입자를 융착시킴

– thermal phase change inkjet: 열가소성 재료를 사출하여 경화시킴

– photopolymer phase change inkjet: 광경화성 재료를 사출하여 자외선으로 경화시킴


Rapid Prototyping


– 3차원 프린팅(3D inkjet printing)

분말재료 융착식 3DP


Rapid Prototyping


– 3차원 프린팅(3D inkjet printing)

광경화성 재료 사출식 3DP 열가소성 재료 사출식 3DP


Rapid Prototyping


– 전자 빔 용해(electron beam melting) • 전자빔(electron beam)을 주사하여 금속 분말을 녹여 각 층을 성형하는 방식으로, 표면 특성이 다른 공정에 비해 우수하며 성형 후 열처리가 필요 없으나, 진공 중에서만 성형이 가능함


Rapid Prototyping


– 레이저 분말 성형(laser powder forming) • 금속 분말을 사출헤드로 공급하면서 고출력 레이저 빔의 초점 위치에서 분말을 용융하여 한 층씩 성형하는 개념으로, 최종 성형품은 매우 밀도가 높고 단단하며, SLS 보다 재료의 제한이 적고 3차적인 열처리를 필요로 하지 않음

• laser fusing, LENS(laser engineered net shaping)


Rapid Prototyping



Rapid Prototyping

신속 시작의 응용

– 시제품(prototype) 제작 • 효과적인 의사소통 및 기능 검사

• 개발 기간을 단축함에 있어 중요한 요인이 됨

– 신속 툴링(tooling) • 툴링: 금형(mold, die)이나 절삭 공구(cutting tool)과 같은 생산도구를 준비하는 과정

– 간접 툴링(indirect tooling): 금형 제작을 위한 패턴의 제작

– 직접 툴링(direct tooling): 금형 자체를 제작

– 신속 제작(manufacturing) • 최종 제품을 RP 기술로 성형하는 경우

• 소량 생산 혹은 전통적인 방식으로 제작하기 어려운 형상의 제작


Rapid Prototyping

STL 파일

– 확장자 stl 을 가지는 형상 정보 파일

– 3차원 형상을 수많은 삼각형 조각(triangular facet)을 이용하여 근사적으로 표현 • 1987년 3D Systems 사에 의하여 확립됨

• RP&M 공정들에 적용되는 표준 파일 형식

• 세 개의 꼭지점(vertex)의 좌표값과 삼각형 평면의 법선 벡터(facet normal vector) 정보로 표현하기 때문에, 매우 단순하고 처리가 간편하다는 장점을 가짐


Rapid Prototyping

STL 파일

vertex-to-vertex rule

orientation of a facet


Rapid Prototyping

STL 파일 solid name facet normal ni nj nk

outer loop vertex v1x v1y v1z

vertex v2x v2y v2z

vertex v3x v3y v3z

endloop endfacet … endsolid name

bytes data type

80 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 2 …

unsigned long integer float float float float float float float float float float float float unsigned integer

# of facets i (normal) j (normal) k (normal) x (v1) y (v1) z (v1) x (v2) y (v2) z (v2) x (v3) y (v3) z (v3) -

solid TOOL facet normal 0.602635 -0.798017 0.000000 outer loop vertex 1.337215 -2.685490 100.000000 vertex 2.217027 -2.021087 3.000000 vertex 2.217027 -2.021087 100.000000 endloop endfacet …… endsolid


Rapid Prototyping

STL 파일

– 단점 • 삼각형 사이의 틈

– 삼각형 간의 연결관계를 고려하지 않으므로 근사하는 과정에서 삼각형이 없는 영역이 나타나는 경우

• 법선 방향의 불일치

– 개별 삼각형의 법선 방향이 솔리드 모델의 법선 방향과 반대 방향이거나 차이가 생기는 경우

• 근사 공차의 차이로 인한 불일치

– 두 개의 다른 STL 파일을 붙여서 한 파일로 만들 때, 각각의 STL 생성 공차가 다를 경우 접합 부분에서 경계 곡선이나 곡면이 서로 일치하지 않는 경우


Rapid Prototyping

Examples: Mandible Reconstruction

– (left) 2D CT image

– (right) isolated mandible in volumetric 3D reconstruction


Rapid Prototyping


– this process required ITG to extract the necessary 3D information from the 2D image slices of the CT scan


Rapid Prototyping


– (left) the final precise-fit undersurface of the implant with nerve accommodating canal

– (right) final model blended onto the new top surface of the implant


Rapid Prototyping


– (left) final implant model

– (right) physical print of the jaw and implant model


Rapid Prototyping


– (left) milled implant from a wax-embedded scaffold of hydroxyapatite

– (right) final implant scaffold after the wax has been removed


Rapid Prototyping


– scaffold fitted into model of jaw


Rapid Prototyping


– (left) test scaffolds are seeded with bone cells in the laboratory using simulated body fluid

– (right) bone cells attach to scaffolds by extending cell processes to the surface


Rapid Prototyping


– final result implanted into jaw defect

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