한국정밀공학회지제 33 권제 1 호 pp. 77-83 J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 33, No. 1, pp. 77-83 ISSN 1225-9071(Print), ISSN 2287-8769(Online) January 2016 / 77 http://dx.doi.org/10.7736/kspe.2016.33.1.77 지능형연성복합재구동기제작을위한 3D 프린팅 - 캐스팅복합공정 Hybrid 3D Printing and Casting Manufacturing Process for Fabrication of Smart Soft Composite Actuators 김민수 1, 송성혁 1, 김형일 1, 안성훈 1,2, Min-Soo Kim 1, Sung-Hyuk Song 1, Hyung-Il Kim 1, and Sung-Hoon Ahn 1,2, 1 서울대학교기계항공공학부 (Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) 2 서울대학교정밀기계설계공동연구소 (Institute of Advanced Machines and Design, Seoul National University) Corresponding author: ahnsh@snu.ac.kr, TEL: +82-2-880-7110 Manuscript received: 2015.10.8. / Revised: 2015.11.6. / Accepted: 2015.11.6. Intricate deflection requires many conventional actuators (motors, pistons etc.), which can be financially and spatially wasteful. Novel smart soft composite (SSC) actuators have been suggested, but fabrication complexity restricts their widespread use as general-purpose actuators. In this study, a hybrid manufacturing process comprising 3-D printing and casting was developed for automated fabrication of SSC actuators with 200 µm precision, using a 3-D printer (3DISON, ROKIT), a simple polymer mixer, and a compressor controller. A method to improve precision is suggested, and the design compensates for deposition and backlash errors (maximum, 170 µm). A suitable flow rate and tool path are suggested for the polymer casting process. The equipment and process costs proposed here are lower than those of existing 3D printers for a multi-material deposition system and the technique has 200 µm precision, which is suitable for fabrication of SSC actuators. KEYWORDS: Smart soft composite actuator ( 지능형연성복합재구동기 ), Hybrid manufacturing process ( 복합공정 ), 3D printing (3 차원프린팅 ), Casting ( 주조 ), Automation ( 자동화 ) 1. 서론 전통적으로사용되는모터나피스톤기반의구동기는자유도가높은운동을구현하기위해서많은수의구동기를사용해야한다는한계가있다. 이에 Fig. 1 과같이형상기억합금 (Shape Memory Alloy, SMA) 을방향성이있는복합재에적용하여 복잡한형상을구현할수있는구동기가제안되고, 1-6 이를의료기구나생체모사로봇과같이복잡한구동을구현하는데사용하고있다. 7 이구동기를지능형연성복합재 (Smart Soft Composite, SSC) 구동기라고하는데 Fig. 2 와같이제작된다. 우선 3D 프린팅 (3D Printing) 공정으로금형과방향성구조체 (Scaffold) 를제작한다. 제작된금형에형 Copyright C The Korean Society for Precision Engineering 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.
한국정밀공학회지제 33 권제 1 호 pp. 77-83 January 2016 / 78 Fig. 1 Configuration of Smart Soft Composite (SSC) actuator 8 (reproduced from Ref. 8 with permission) Fig. 3 Schematic of 3D printing - casting hybrid manufacturing processes 2. 3D 프린팅 - 캐스팅복합공정 Fig. 2 Existed SSC actuator fabrication method 상기억합금을방향성구조체를사이에두고상단과하단에위치시킨다. 방향성구조체의틀어진각도에따라구동기의구동모드가결정되는데, 원하는구동모드에따라구조체를순서대로쌓아올린다. 그리고 PDMS(Polydimethylsiloxane) 와같은유연폴리머를캐스팅한다. 이제조공정은 Fused Deposition Modeling(FDM) 방식의 3D 프린팅공정의고유한특징을이용하여메소스케일의방향성구조체를제작한다는장점이있다. 8 하지만조립과캐스팅과정이수작업으로이루어지기때문에, 작업자의숙련도에따라구동기의성능이크게달라지고, 제작에소요되는시간이길다는단점이있다. 본연구에서는 SSC 구동기의기존제조공정의단점을극복하기위해서 3D 프린팅과캐스팅공정이하나의장비에서구현되도록복합공정을구성하고자한다. 그리고구성된복합공정의치수오차발생요인이누적되어제품의정밀도가저하되는것을방지하기위해서각공정의오차발생요인을분석하고보상하는방법을제시한다. 최종적으로개발된공정과보상방법을반영하여제작한구동기를평가한다. SSC 구동기제작을자동화하고, 규격화하기위해서 Fig. 3 과같이 3D 프린팅 - 캐스팅복합공정을제안하였다. 3D 프린팅 - 캐스팅복합공정이란개별공정인 3D 프린팅공정과캐스팅공정을복합적으로구성한공정이다. 복합공정은제작순서에따라크게세과정인하부금형제작및캐스팅, 방향성구조체적층, 상부금형제작및캐스팅으로구분할수있다. 하부금형제작및캐스팅과정은아래와같이구성된다. 3D 프린팅공정으로하부금형의일부를적층하고, 형상기억합금을배치한다. 형상기억합금이배치되면금형의하부적층을마무리하고, 유연폴리머를캐스팅한다. 구동기의하부제작이완료되면, 그위쪽표면에 3D 프린팅공정으로방향성구조체를적층하고, 높이에맞추어금형을적층한다. 방향성구조체적층이완료되면, 상부금형의일부를적층한다. 그리고형상기억합금을배치하고금형제작을마무리한다. 마지막으로유연폴리머를캐스팅하고, 금형을분리시키면 SSC 구동기가제작된다. 위공정을통합하여 Fig. 4 과같이장비를구성하였다. 장비구성에사용된 3D 프린터는 FDM 방식을적용한 3DISON(ROKIT 社 ) 으로 225 mm( 가로 ) 145 mm( 세로 ) 150 mm( 높이 ) 크기의형상을제작할수있다. PLA(Polylactic Acid) 를주재료로금형과방향성구조체를제작하였다. 여기에캐스팅공정을추가하기위해서 3D 프린터헤드에유연폴리머를토출하는장치를부착하였다. 유연폴리머는 MOLDSTAR30(Smooth-on
한국정밀공학회지 제 33 권 제 1 호 pp. 77-83 January 2016 / 79 (a) (b) Fig. 4 Machine configuration using 3DISON (ROKIT) Table 1 Properties of MOLDSTAR 309 Demold time Pot life (min) 45 24 (hour) Mixed Elongation at 12,500 339 viscosity (cps) break (%) Tear strength Shore A 14 30 (N/mm) hardness Inc.)을 사용하였다. MOLDSTAR30의 재료 특성은 Table 1과 같다. 주사기 형태의 실린더에 주제와 경화제를 각각 넣고 두 재료를 혼합할 수 있는 Static mixer(두 액상 재료가 흐르면서 혼합되는 노 즐형태의 혼합기)와 정밀 토출을 위한 주사 바늘 을 3D 프린터 노즐과 같은 높이에 장착하였다. 두 재료는 공압에 의해 토출되며 Static mixer에 의해 자연스럽게 혼합되어 금형을 채운다. 공압은 태 하의 THE-200 컨트롤러로 제어한다. THE-200 컨트 롤러는 압력을 설정해 놓으면, 외부 스위치로 설 정한 압력을 가할 수 있다. 이 외부 스위치를 3D 프린터 컨트롤 보드의 출력단자와 연결하여 공압 (c) Fig. 5 Cross-Section of specimen for measuring deposition precision; (a) Specimen for measuring X, Y-axis positional error (b) Specimen for measuring X, Y-axis reversal error (c) Specimen for measuring Z-axis positional error 을 제어한다. 또한 폴리머의 경화 시간을 단축하 기 위해서 할로겐 램프를 설치하여 주변 온도를 50 로 설정하여 30분만에 경화되도록 하였다. 공구 경로는 기존 CAM 프로그램에서 생성된 G code를 수정하여 사용하였다. Static mixer가 기계
한국정밀공학회지 제 33 권 제 1 호 pp. 77-83 January 2016 / 80 Table 2 Deposition accuracy and precision X-axis Y-axis Z-axis Accuracy (µm) 34 38 24 Precision (µm) 30 27 18 Maximum reversal error (µm) 107 193 - Fig. 6 Experiment setting for measuring 3D printing deposition accuracy 원점에 올 수 있도록 새로운 원점을 부여하고, 금 형을 적층하는 G code 중간에 유연 폴리머를 토출 하는 코드와 경화되는 30분간 일시 정지되는 코드 를 추가로 삽입하였다. 최근 3D 프린터를 이용하여 탄성중합체를 제 작하는 기술을 개발하고 있으나, 고가의 장비와 재료는 일반 사용자의 진입장벽으로 작용한다. 본 공정은 부분적인 캐스팅을 3D 프린터에 도입하여 탄성중합체 제작 기술을 새로운 재료를 개발하여 판매중인 장비보다 저렴한 가격으로 구현하였다. 3. 복합 공정의 정밀도 향상 방법 3D 프린팅 공정은 치수 오차가 있다.10 이 치수 오차로 인하여 설계로부터 예측된 유연 폴리머양 과 제작에 필요한 양에 차이가 발생한다. 작은 오 차라도 크기가 큰 구동기를 제작하면 오차 전파로 인해 부피의 차이가 증가하므로 금형의 정밀도 확 보가 필요하다. 70 mm 20 mm 3 mm의 직육면체 의 구동기는 각축으로 200 µm 오차가 발생할 경우 약 1%의 부피 오차가 발생하는데 이를 허용 공차 로 정의한다. 이를 기준으로 치수 오차를 측정하 고 보상하는 방법을 제시하려고 한다. 또한, 정확한 양의 폴리머를 캐스팅하여, 윗면 의 편평도를 확보하고 방향성 구조체를 적층할 수 있도록 유연 폴리머 토출량을 제어하는 방법을 제 시하고자 한다. 3.1 3D 프린팅 적층 정밀도 및 보상 방법 3D 프린팅 공정의 적층 정밀도는 장비의 이송 부 정밀도, 적층 과정에서 발생하는 오차 등으로 결정된다. 이송부는 X, Y 축으로 이동하는 적층 노 즐 헤드와 Z축으로 이동하는 테이블로 구성되어 있으며, 축 별 정밀도는 X, Y 축의 경우 11 µm, Z 축의 경우 2.5 µm 수준이다.11 하지만 적층 정밀도는 재료가 적층되는 과정과 이송부의 이동방향이 바뀌는 과정에서 발생하는 오차가 누적되기 때문에 이송부 정밀도와 비교하 여 더 낮아진다. 적층 정밀도란 적층할 때의 정밀 도로 이송부의 정밀도 측정 방법과 유사하게 위치 정밀도와 반전오차로 분류하여 정의하였다. 위치 정밀도는 공구가 한 방향으로 이동할 때, 적층 위 치가 얼마나 정확한지를 의미하고, 반전 오차는 축이 왕복 운동할 때 발생하는 오차이다. 이를 측정하기 위해서 Fig. 5와 같이 시편을 제 작하였다. (a)는 X, Y축의 위치 정밀도를 평가하는 시편의 X-Y 평면으로의 단면도이고, (b)는 X, Y축 의 반전 오차를 측정하는 시편의 X-Y 평면으로의 단면도이다. 시편의 높이는 20 mm이다. 두께에 의 한 효과를 제외하기 위해서 적층이 한 겹으로 되 도록 설계하였다. 공구 경로는 그림과 같이 한 방 향으로만 작성되었다. 위치 정밀도 시편은 이송부 의 Backlash를 제외하기 위해서 공구가 한 방향으 로만 움직이도록 설계되었고, 반전 오차를 측정하 는 시편은 노즐이 양방향으로 움직이도록 설계되 었다. (c)는 Z축 방향 위치 정밀도를 측정하기 위한 시편의 X-Z 평면으로의 단면도이다. Fig. 6과 같은 실험 환경을 구성하여 레이저 변 위 센서(LK-G150, KEYENCE)로 제작된 시편을 측 정하였다. 센서의 측정 범위는 150±40 mm이며, 반 복성은 0.5 µm이다. 시편 (a), (b)의 경우 Fig. 5의 표시된 점을 Z축 방향으로 5, 10, 15 mm의 3 지점을 측정하였고, 시 편 (c)의 경우 중간지점을 측정하였으며, 실험은 3 회 반복 되었다. 정확도는 기준면에서의 거리와 공칭 값과의 차로 정의하였으며 Table 2와 Fig. 7과 같다. 위치 정밀도는 X, Y 축의 경우 40 µm 미만이므 로 목표한 정밀도의 금형을 제작할 수 있기 때문 에 수십 µm 이내의 위치 오차는 허용하였다.
한국정밀공학회지제 33 권제 1 호 pp. 77-83 January 2016 / 81 (a) Position accuracy and precision Fig. 8 Mass flow of soft polymer (b) Reversal error Fig. 7 Deposition accuracy and precision of X-Y axis 하지만, 반전오차의경우 X 축은최대로 100 µm, Y 축은최대로 190 µm 까지발생하였다. 이를보상하는방법을설계변경으로구현하였다. 반대경로가발생하지않도록공구경로를작성하였고, 반대경로가생성되는것을피할수없을경우, Backlash 에의한오차를미리예측하고이를보상하는설계를하였다. X 축의경우 75 µm 를, Y 축의경우 140 µm 를더크게설계하였다. 이와같이설계변경방법을적용하여요구하는정밀도를만족하는금형을제작할수있다. 3.2 유연폴리머토출량제어 MOLDSTAR30 은주제 (Part A) 와경화제 (Part B) 를 1:1 의비율로혼합하여사용한다. 공기압으로토출되는두재료는점성이크고상이하여압력손실또한크고상이하다. 따라서실험적인방법으로단위시간당같은양을토출할수있는압력을유도하였다. Static mixer 와주사바늘이없는상태에서 40, 80, 120, 160, 200, 400 kpa 의압력을 5 초간가하며토출되는재료의질량을측정하였고, 그결과, 압력에따른각재료의단위시간당토출량은 Fig. 8 과같이나타났다. 그경향성을 2 차다항식으로추정하여 R 2 값이 99% 이상인모델을얻었고, 1:1 비율로재료를토출할수있는압력조건을찾았다. 실제토출량은 Static mixer 와주사바늘에의한추가적인압력손실로인해이론적토출량의 0.036 배로감소하였고, 이를기준으로유연재료토출량을제어하였다. Fig. 9 Comparison of deposited geometry with and without jig-jag tool path 유연폴리머를금형에토출하는방법도차별화가필요하다. 단순하게한지점에서폴리머를토출하게되면 Fig. 9 와같이토출지점이볼록하게경화된다. 따라서지그재그로공구경로를작성하여폴리머를토출하였다. 지그재그로토출하여경화시킨폴리머와한지점에서일정하게토출하여경화시킨폴리머를비교한결과, 곡률이각각 0.019, 0.046 로약 2.5 배의차이가발생했다. 3.3 구동기제작정밀도향상방법을적용한 3D 프린팅 - 캐스팅복합공정을이용하여제작된구동기는 Fig. 10(a) 와같다. 구동기의정밀도를측정한결과 20±0.05 mm( 폭 ) 70±0.05 mm( 길이 ) 3±0.17 mm( 두께 ) 로목표했던 200 µm 정밀도를확보하였다. 구동기의 SMA 에 1,200 ma 의전류를인가하여작동시킨결과, Fig. 10(b) 와같이작동하였다. 구동기끝단의최대변위는약 16.4 mm 였다. 제조시간은약 50 분으로기존의수작업제조시간인약 10 시간을약 8.3% 수준으로단축시켰다. 또한공정자동화로제작된구동기가수작업으로제작된구동기와유사한형태로구동된다는것을확인하였다.
한국정밀공학회지제 33 권제 1 호 pp. 77-83 January 2016 / 82 REFERENCES (a) (b) Fig. 10 (a) Smart soft composite actuator (b) Deformation of the actuator 4. 결론 SSC 구동기제작방법을자동화, 규격화할수있는 3D 프린팅 - 캐스팅복합공정을제안하고이를구현하여장비를개발하였다. 또한두공정이복합적으로구성되면서발생하는오차요인을분석하고정밀도를확보하는방법을제안하였다. 제안된방법으로 200 µm 정밀도의구동기를제작하였고, 작동이되는것을확인하였다. 구동기제작공정이자동화되어제작시간이감축됨에따라, 전통적구동기시장에진입할수있는바탕을마련하였다. 또한기존의고가장비에서만가능했었던다종재료의적층방식제조기술을저가로구현하였다. 앞으로본공정으로제작되는구동기의신뢰성을평가하고증가시켜야하는과제가남아있으며, 최종적으로 3D 프린팅공정의장점을살려구동기가포함된로봇을한번에제작할수있도록하는 CAD/CAM 관련연구가수행되어야한다. 후기 본연구는국방생체모방자율로봇특화연구센터를통한방위사업청과국방과학연구소연구비지원 (UD130070ID), 산업통상자원부산업원천기술개발사업 (10049258), 2011 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (No.NRF-2015R1A2A1A13027910). 1. Ahn, S.-H., Lee, K.-T., Kim, H.-J., Wu, R., Kim, J.-S., et al., Smart Soft Composite: An Integrated 3D Soft Morphing Structure Using Bend-Twist Coupling of Anisotropic Materials, Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 13, No. 4, pp. 631-634, 2012. 2. Wu, R., Han, M.-W., Lee, G.-Y., and Ahn, S.-H., Woven Type Smart Soft Composite Beam with in- Plane Shape Retention, Smart Materials and Structures, Vol. 22, No. 12, Paper No. 125007, 2013. 3. Rodrigue, H., Wang, W., Bhandari, B., Han, M.-W., and Ahn, S.-H., Cross-Shaped Twisting Structure Using SMA-Based Smart Soft Composite, Int. J. Precis. Eng. Manuf.-Green Tech., Vol. 1, No. 2, pp. 153-156, 2014. 4. Wang, W., Rodrigue, H., and Ahn, S.-H., Smart Soft Composite Actuator with Shape Retention Capability Using Embedded Fusible Alloy Structures, Composites Part B: Engineering, Vol. 78, pp. 507-514, 2015. 5. Rodrigue, H., Wang, W., Bhandari, B., Han, M.-W., and Ahn, S.-H., SMA-Based Smart Soft Composite Structure Capable of Multiple Modes of Actuation, Composites Part B: Engineering, Vol. 82, pp. 152-158, 2015. 6. Rodrigue, H., Bhandari, B., Han, M.-W., and Ahn, S.- H., A Shape Memory Alloy-Based Soft Morphing Actuator Capable Of Pure Twisting Motion, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 26, No. 9, pp. 1071-1078, 2015. 7. Cho, K.-J., Koh, J.-S., Kim, S., Chu, W.-S., Hong, Y., et al., Review of Manufacturing Processes for Soft Biomimetic Robots, Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 10, No. 3, pp. 171-181, 2009. 8. Kim, H.-J., Song, S.-H., and Ahn, S.-H., A Turtle- Like Swimming Robot Using a Smart Soft Composite (SSC) Structure, Smart Materials and Structures, Vol. 22, No. 1, Paper No. 014007, 2013. 9. Smooth-on, Inc., Mold Star Silicones, http://www. smooth-on.com/silicone-rubber-an/c2_1115_1341/ index.html (Accessed 7 December 2015) 10. Bayley, C., Bochmann, L., Hurlbut, C., Helu, M., Transchel, R., et al., Understanding Error Generation in Fused Deposition Modeling, Proc. ASPE Spring Topical Meeting on Dimensional Accuracy and Surface Finish in Additive Manufacturing, pp. 98-103, 2014.
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