금속 3D 프린팅용 알루미늄 합금의 저온 열처리에 따른 미세조직 및 기계적 / 전기적 특성에 관한 연구

황우진 서울과학기술대학교 2023 국내박사

금속 3D 프린팅 기술중의 하나인 선택적 레이저 용융(SLM) 방식은 기존의 가공 방식으로는 제작할 수 없었던 3차원 구조물을 제작할 수 있어 4차 산업혁명의 각광받는 차세대 제조 기술로 그 자리를 매김하고 있다. 그중 항공, 방산, 자동차 등의 부품 경량화에 가장 효율적인 알루미늄 소재가 각광받고 있다. 현재 알루미늄 소재로 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg를 포함하는 알루미늄-실리콘(Al-Si) 기반 합금 재료가 널리 사용되고 있다. 그러나 경량화의 큰 장점이 있는 반면에 급속 냉각으로 인한 잔류응력은 부품의 기계적 강도, 치수 정확도 및 피로와 같은 신뢰성에 영향을 미치는 중요한 문제 중 하나이다. 본 연구에서는 잔류응력을 해소하기 위한 방안으로 저온 열처리 연구를 수행하였다. 첫 번째 연구로, 280 ℃의 저온 열처리를 통한 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg 합금의 잔류응력 평가 및 미세구조, 기계적 특성, 전기적 특성을 평가하였다. 두 번째 연구는 첫 번째 연구 결과를 토대로 산업군 어플리케이션에 따른 온도별 열처리 조건을 최적화 하기 위하여 180 ℃ ~ 280 ℃의 열처리 조건별 특성을 연구하였다. 열처리 후 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg 재료의 미세구조, 잔류응력 및 기계적 성질과 전기적 특성의 변화를 체계적으로 조사하였다. 열처리 후 실리콘(Si) 네트워크 구조와 알루미늄 매트릭스에 용해된 Si는 완전히 석출되어 독립적인 미세 구형 석출물로 존재하였다. AlSi7Mg 재료는 Si의 낮은 체적 분율로 인해 고용체 경화 효과가 약하여 AlSi10Mg 재료보다 인장 강도, 경도 및 연신율이 더 낮았다. 열처리 온도가 증가할수록 두 재료의 기계적 강도가 감소하고 연신율이 증가하는 현상을 확인하였다. 이때 190 ℃의 열처리 조건에서 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg 재료 모두 항복강도가 가장 높은 것을 확인할 수 있었다. 한편, 알루미늄 매트릭스에 석출된 Si가 불순물로 작용하여 열처리 후 재료의 전기전도도가 향상되었다. Al-Si 합금의 전기 전도도 및 기계적 특성은 재료의 Si 함량에 따라 달라지는 것을 확인하였다. 따라서 저온 열처리를 통한 재료의 적절한 Si 함량을 최적화하여 전기적 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있었다. Selective Laser Melting (SLM), one of the metal 3D printing technologies, is positioning itself as a next-generation manufacturing technology that is in the spotlight of the 4th Industrial Revolution as it can produce 3D structures that could not be manufactured with conventional processing methods. Among them, aluminum is the most efficient material for lightening parts in aviation, defense, and automobiles. Currently, aluminum-silicon (Al-Si)-based alloy materials including AlSi7Mg and AlSi10Mg are widely used as aluminum materials. However, while there is a great advantage of light weight, residual stress due to rapid cooling is one of the important issues affecting reliability such as mechanical strength, dimensional accuracy and fatigue of parts. In this study, low-temperature heat treatment was conducted as a way to relieve residual stress. As a first study, the residual stress, microstructure, mechanical properties, and electrical properties of AlSi7Mg and AlSi10Mg alloys were evaluated through low-temperature heat treatment at 280 ℃. In the second study, based on the results of the first study, the characteristics of each heat treatment condition of 180 ℃ ~ 280 ℃ were studied in order to optimize the heat treatment conditions by temperature according to industrial applications. After heat treatment, the changes in the microstructure, residual stress, and mechanical and electrical properties of AlSi7Mg and AlSi10Mg materials were systematically investigated. After heat treatment, Si dissolved in the silicon (Si) network structure and aluminum matrix was completely precipitated and existed as independent fine spherical precipitates. The AlSi7Mg material showed weaker solid-solution hardening effect due to the lower volume fraction of Si, resulting in lower tensile strength, hardness and elongation than the AlSi10Mg material. It was confirmed that as the heat treatment temperature increased, the mechanical strength of the two materials decreased and the elongation increased. At this time, it was confirmed that the mechanical strength of both AlSi7Mg and AlSi10Mg materials was the highest under the heat treatment condition of 180 ℃ ~ 190 ℃. On the other hand, Si precipitated in the aluminum matrix acts as an impurity, and the electrical conductivity of the material after heat treatment is improved. It was confirmed that the electrical conductivity and mechanical properties of the Al-Si alloy depend on the Si content of the material. As a result, it was possible to improve the electrical and mechanical properties by optimizing the appropriate Si content of the material through low-temperature heat treatment.

DfAM 기법을 적용한 초소형 위성 광구조체 경량화 최적설계 연구

김희현 국립한밭대학교 산업대학원 2025 국내석사

3D 프린팅은 제작하기 어렵고 복잡한 형태의 제품을 제작할 수 있어 항공·우주, 기계, 의료장비, 전자, 자동차 등 여러 분야에서 사용되고 있다. 그중 항공·우주분야는 다른 분야와 달리 사용빈도가 적은 편이며, 그 이유 중 하나로는 복잡한 형상의 조립체로 높은 정밀도를 요구하고 금속재질을 많이 사용하기 때문이다. 그러나 최근에는 플라스틱 재질만 사용했던 3D 프 린팅도 점점 발전하면서 금속 재질로도 출력이 가능한 장비들이 개발되었고, 현재는 항공우주분야에서도 점차 사용되고 있다. 3D 프린팅의 설계 기법인 DfAM (적층제조특화설계)으로는 기존에 볼 수 없었던 디자인을 적용할 수 있어 최적 설계를 통해 경량화할 수 있다. 그리고 기존의 부품 수를 줄여 단 일 파트로 적용함으로써 리드 타임 및 비용도 감소하게 된다. 이에 본 연구에서는 초소형 위성에 탑재되는 광구조체를 DfAM (Design for Additive Manufacturing) 기법을 통해 기존 형상 대비 최적 설계를 진행하고, 경량화 70% 이상을 목표로 한 경량화 연구를 수행한다. 초소형 위성이 발사체에 탑재된 상태로 발사과정에서의 중력가속도에 대한 조건으로 위상최적화 형상을 도출하고, Lattice 구조를 적용시킴으로써 최종 목표치인 70% 이상 무게를 감소시켰다. 또한 선형 정적해석을 통해 최대 변 형량은 X축에서는 0.05 ㎛, Y축에서는 0.1 ㎛, Z축은 0.1 ㎛로 광학계 성능에 문 제 되지 않은 수치임을 입증하여 초소형 위성 지구관측 카메라를 제작하기 위해 활용 가능하다는 것을 확인하였다.

3D 프린팅과 금속을 활용한 기물 제작 연구 : 적층 방식의 PLA 출력물과 옻칠 표면처리를 중심으로

박다희 서울대학교 대학원 2024 국내석사

This study explores the creation process of vessels that embody new dimensions of color and behavior-inducing shapes through the combination of Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printing technology and metal materials. I encountered challenges in fitting various angles and curved surfaces while working with metal materials. To address these difficulties, I utilized 3D program (3D Rhino) to create surfaces where different shapes and forms naturally transition into each other. The research involved creating vessels by combining lids, handles, and other elements made of metal or produced through 3D printing with the main body of the object. Primarily focusing on morphological exploration, the study ultilized the functional advantages of 3D programming to realize natural curved surfaces. Among the various elements of the work, lids and handles were specifically designed to induce user interaction, aligning with the concept of Affordance theory. This approach aimed to facilitate communication with the user. Consequently, a series of vessels were created, emphasizing elements like lids and handles that effectively induce user behavior. Subsequently, the study delved into the finishing of the printed objects. The FDM 3D printing process involves layering molten plastic, available in 1.75mm or 2.85mm wire forms, along the X, Y, and Z axes, creating visible horizontal lines due to layering. To enhance the surface finish, natural lacquer, specifically Urushi lacquer, was chosen. Initial experiments focused on smoothing the surface and applying solid-color lacquer to fill gaps and experiment with color and texture representation. Later research exploited the layer lines of FDM 3D printing as a texture and applied the ‘Mayeon technique’ in Urushi lacquering. This involved multiple lacquer layers, polished to blend seamlessly with the 3D printing lines, creating a harmonious effect. In addition to this, experiments were conducted to overcome the limitations of low brightness and saturation inherent in traditional Urushi lacquer colors. These experiments enabled the production of works with unrestricted color expression through various color combinations. This study proposes a novel approach in the creative process and hopes to provoke contemplation on the significance of vessels and works of art. keywords : Metal Structure, 3D Printing, Ottchil, FDM, Connection, Mayeon Technique Student Number : 2021-20396 본 연구는 Fused Deposition Modeling(FDM) 방식의 3D 프린팅 기술과 금속 재료의 결합을 통해 다채로운 색상을 지니고 행동 유도적인 형태를 지니는 기물 제작 프로세스를 탐구한다. 연구자는 금속 재료로 작업 중에 여러 각 또는 곡면의 피팅 과정에서 어려움을 발견하였다. 이러한 어려움을 보완하고자 3D 프로그램을 활용하여 서로 다른 도형 및 형태가 자연스럽게 이어지는 곡면을 제작하고자 하였다. 이에 대한 연구로 금속 혹은 3D 프린팅으로 제작된 몸체에 금속 혹은 3D 프린팅으로 제작된 뚜껑, 손잡이 등을 결합하여 기물을 제작하였다. 이러한 연구를 진행하기 위해 3D 프린팅에 대한 특징과 이를 활용한 작품 사례를 알아보고 3D 프린팅과 금속이 결합된 기물의 제작과 그 표면 마감 처리를 연구하였다. 우선 형태적 탐색을 목적으로, 3D 프로그램의 기능적 장점을 활용하여 자연스러운 곡면을 구현하였다. 기물의 여러 요소 중 특히 뚜껑과 손잡이는 사용자의 행동을 유도하기에 적합한 요소이므로 해당 부분에 초점을 맞춘 시리즈를 제작하였다. 이를 통해 사용자와 소통하고자 하였다. 이러한 이유로 뚜껑과 손잡이는 사용자의 행동을 유도하고 이에 목적을 두어 구상을 하였으며 행동 유도성(Affordance) 이론을 고려하여 계획되었다. 다음으로, 출력물의 마감에 대한 연구를 진행하였다. FDM 방식의 3D 프린팅은 적층 제조 기술을 사용하며, 1.75mm 또는 2.85mm 두께를 가진 와이어 형태의 플라스틱을 일정한 온도에서 녹여 적층선을 X, Y, Z 축으로 지지대와 함께 쌓으며 출력된다. 기계 및 작동 방식에 따라 차이가 있지만, FDM 출력물의 표면에는 적층선들로 인해 가로선의 결이 보인다. 이와 같은 적층 방식의 3D 프린팅을 기물 제작에 사용하고 표면의 마감을 위해 천연 도료인 옻칠을 선택하였다. 초기 연구에서는 출력물의 표면을 깔끔하게 하고, 색을 칠하기 위해서 표면의 틈을 메웠으며 단색의 옻칠로 덮어 색 및 질감 표현의 시도를 하였다. 3D 프린팅의 표면 마감 실험 결과를 통해, 후기 연구에서는 FDM 방식의 3D 프린팅에서 나오는 적층선을 요철로 활용하고 옻칠의 표현기법 중 하나인 ‘마연기법’을 적용하여 여러 겹 칠한 후 연마하여 틈을 메우고, 3D 프린팅의 적층선과 어우러지는 효과를 구현하고자 하였다. 옻칠을 할 때 기존에 있는 옻칠 색이 가진 낮은 명도 및 채도의 한계점을 극복하고자 옻칠 조색에 대한 실험도 함께 진행하였다. 이러한 실험을 통해 색 표현에 제한 없이 다양한 색의 조합을 가진 작품 제작이 가능하였다. 본 연구가 창작 과정에서 새로운 접근법을 제안하고, 작품 및 기물의 의미에 대한 고찰할 수 있는 계기가 되기를 바란다. 주요어 : 금속 구조, 3D 프린팅, 옻칠, 결합, FDM, 마연기법 학 번 : 2021-20396

금속 PLA 3D 프린팅 기법을 활용한 금속 문화유산 복원 기술 적용성 및 소재 특성 평가

김민제 한국전통문화대학교 문화유산전문대학원 2024 국내석사

3D 프린팅을 이용한 문화유산 복원 방법은 기존 수작업 복원 방식 대비 높은 완성도, 유사한 물성, 쉬운 작업성 등 재료·방법론적 타당성을 근거로 문화유산 보존·복원에 활발히 활용되고 있다. 그러나 도·토기 재질을 중심으로 활용·연구되어 금속 문화유산 적용에는 한계가 존재한다. 따라서 금속 문화유산에 적합한 3D 프린팅 재료와 기술에 관한 연구가 필요하다. 금속 PLA를 복원재료로 사용하면 3D 스캐닝과 프린팅을 통한 현상 복제 효과를 지니면서 원소재를 사용하여 원형복원의 의미와 진정성을 확보할 수 있다. 금속 문화유산 복원 분야에 적용하고자 하는 금속 PLA 3D 프린팅 기법의 인공부식, 소결 적용 실험 및 전·후 특성을 비교하여 과학적 근거를 바탕으로 금속 문화유산 복원 기술 적용성에 관한 객관적인 근거를 확보하고자 하였다. 부식형태 관찰결과 Cu-PLA는 청색과 녹색, Fe-PLA는 황색과 흑색의 부식 표면을 확인하였다. 부식층 단면 관찰결과 Cu-PLA는 청록색 계열의 색상들이 적층 형태로 이루어졌으며, Fe-PLA는 황색의 부식층과 흑색의 녹 전환 피막이 확인되었다. 성분분석 결과 Cu-PLA, Fe-PLA 각각 구리(Cu)와 철(Fe)이 주성분으로 검출되었으며, 인공부식 적용 후 황(S)이 검출되어 황 계열 부식 화합물로 형성된 부식층을 확인하였다. 유물 적용성 평가 결과 전통 주조 및 단조 기법보다 금속 PLA 3D 프린팅 기법으로 제작한 시편의 형태와 질감이 원 유물과 유사한 것을 확인하였다. 이를 색차로 평가한 결과 최소 ‘근소한 정도’와 최대 ‘감지할 정도’로 확인되었다. 소결 형태 관찰결과 표준 금속과 유사한 표면 광택이 관찰되었다. 소결 후 치수와 중량은 약 10~25 % 감소하였다. 미세조직 관찰결과 금속 입자 간 경계면이 감소하고, 입자가 일체화된 모습이 관찰되었다. 이를 통해 단 위 면적당 금속 입자 밀도가 증가하였고, 소결 전 관찰되지 않았던 미상의 금속 조직이 관찰되었다. 표면 경도와 비중 및 흡수율 측정 결과 소결 전보 다 비커스 경도와 비중이 증가하였고, 흡수율은 감소하였다. 이를 표준 금 속 데이터와 비교한 결과 비커스 경도는 유사하거나 높았으며, 비중은 표준 금속보다 작게 측정되었다. 이를 통해 금속 PLA 3D 소결로 동일 형상 및 부피의 표준 금속 대비 유사한 표면 경도와 광택을 지니면서 경량화 효과가 확보된 금속 제작이 가능할 것으로 판단된다. 금속 PLA 3D 프린팅 기법을 활용한 금속 문화유산 복원 기술 적용방안은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 첫째, 인공부식을 적용한 기법, 둘째, 소결 과정을 적용한 기법이다. 첫 번째 방안은 구리합금 재질과 철제로 나눌 수 있다. 구리합금 재질은 Cu-PLA 또는 Bronze PLA에 구현하고자 하는 부식층 색상의 부식 화합물로 수용액을 제조·적용하여 인공부식 효과를 나타낼 수 있다. 철제는 Fe-PLA에 NaCl 또는 산화 환경을 조성하여 철제 고유의 부식층을 형성할 수 있다. 또한 녹 전환제의 사용을 통해 부분적인 흑색 표현 및 비활성 녹 피막을 형성하여 복원 및 보존 효과를 나타낼 수 있다. 두 번째 방안은 소결 과정을 적용하여 표준 금속과 유사한 표면 효과와 경도, 작은 비중을 지닌 금속을 제작할 수 있다. 이는 경량화된 금속으로 결 손부 복원 및 기능의 활용을 중점으로 하는 근현대 문화유산에 적용할 수 있다. 금속 PLA 3D 프린팅 기법을 활용한 금속 문화유산 복원 기술 적용 가능성을 제시하였으며, 기초적인 정보와 DB 제공에 이바지하였기를 기대한다. 주제어 : 금속 PLA, 3D 프린팅, 인공부식, 소결, 금속 문화유산 복원재료 The use of 3D printing for the restoration of cultural heritage has been actively employed in conservation and restoration efforts, supported by factors such as high precision, similar material properties, and ease of operation compared to traditional manual restoration methods. However, its application to metallic cultural heritage has faced limitations, particularly in the domain of metal artifacts. Therefore, this study aimed to research suitable 3D printing materials and techniques for the restoration of metallic cultural heritage. The utilization of metal PLA as a restoration material allows for the replication of artifacts through 3D scanning and printing, ensuring authenticity and significance in original restoration. To assess the applicability of the metal PLA 3D printing technique in the restoration of metallic cultural heritage, experiments were conducted on patination, sintering application, and a comparison of pre- and post-characteristics. Observations of corrosion patterns revealed that Cu-PLA exhibited blue and green corrosion surfaces, while Fe-PLA displayed yellow corrosion layers with a black patina. Cross-sectional analysis indicated layered turquoise corrosion for Cu-PLA and yellow corrosion layers with a black-to-green transition patina for Fe-PLA. Chemical analysis confirmed the presence of copper (Cu) and iron (Fe) as the primary components, with the detection of sulfur (S) post-patination, suggesting the formation of corrosion layers with sulfur-based compounds. Evaluation of artifact suitability demonstrated that specimens produced through metal PLA 3D printing exhibited forms and textures similar to traditional cast and forged specimens, with minimal color deviation as assessed by color difference measurements. Sintering observations revealed surfaces with a gloss similar to standard metals, accompanied by a reduction in dimensions and weight by approximately 10~25%. Microstructural analysis indicated a decrease in the boundaries between metal particles, achieving a higher metal particle density per unit area, and the presence of previously unseen metallic structures. Surface hardness, density, and absorption measurements post-sintering showed increased Vickers hardness and density, and decreased absorption compared to pre-sintering. The results suggested that metal PLA 3D printing and sintering could achieve surfaces with similar hardness, gloss, and lightweight properties to standard metals. The application of the metal PLA 3D printing technique for the restoration of metallic cultural heritage can be divided into two main approaches: patination-based methods and sintering-based methods. The former includes the use of copper alloy materials (Cu-PLA or Bronze PLA) with artificially applied corrosion effects, while iron-based materials (Fe-PLA) can produce corrosion layers through the introduction of NaCl or oxidation environments. Additionally, the use of rust converters allows for partial black expression and the formation of inert rust films, contributing to restoration and preservation effects. The latter approach, employing sintering processes, can create metallic surfaces with effects, hardness, and low specific gravity similar to standard metals. This lightweight metal production can be applied to the restoration of missing parts and the functional utilization of modern cultural heritage. In conclusion, this study presents the potential application of the metal PLA 3D printing technique in the restoration of metallic cultural heritage. The provided foundational information and database contributions are expected to contribute to further advancements in the field. Keywords: Metal PLA, 3D Printing, Patination, Sintering, Metal Cultural Heritage Restoration Materials

UH-60P 헬리콥터 휠 고정 핀 파손원인 분석 및 PBF방식 3D 프린팅 제작에 관한 연구

배재훈 성균관대학교 일반대학원 2020 국내석사

현재 대한민국 육군에서 사용되고 있는 UH-60P “블랙호크” 헬리콥터 랜딩기어의 고정 핀은 헬리콥터가 지상 활주 시 방향이 바뀌지 않도록 바퀴를 고정시키는 역할과 함께 고정된 상태에서 핀에 큰 힘이 가해지면 핀은 파손되면서 랜딩기어 전체 시스템의 파손을 막는 역할을 한다. 이런 고정 핀 파손의 원인은 통상 조종사의 실수로 고정해제를 하지 않고 과도한 조작으로 인한 큰 힘이 가해져 파손된다. 문제는 고정 핀의 파손이 상당히 잦아 부품의 소요가 크며 전적으로 수입에 의존하고 있어 원활한 공급이 제한되면 전투력 공백으로 이어져 국가적 손실로 번지는 문제이다. 이 논문의 목적은 위와 같은 문제를 해결하고자 3D모델링 도면과 프린팅 장비만 있으면 언제 어디서든 즉각 프린팅이 가능한 금속 3D 프린팅 제조 방법으로 국내 생산하여 즉각 조달이 가능토록하기 위함이며 이를 위해 고정 핀의 역 설계, 재료 분석, 유한요소해석을 통해 핀의 파손원인 분석과 금속 3D 프린팅 공정해석을 통해 잔류 응력 및 변형이 적은 부품 프린팅과 에너지 밀도별 3D 프린팅 시편의 밀도를 측정한 기공률 분석을 통해 내부 기공이 적은 프린팅 조건을 찾는 것이다. Additive manufacturing 중에서 PBF 방식의 금속 프린팅은 가장 보편화 되어 있는 기술로서 높은 해상도로 부품을 출력할 수 있음은 물론 다양한 금속 분말을 사용하여 프린팅이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 부품출력 후에 잔류응력에 의한 부품의 변형과 다양한 물리적 원인으로 발생하는 기공은 부품의 기계적 특성에 좋지 않은 영향을 미친다. 특히 금속 3D 프린팅의 경우 다양한 공정변수가 존재하며 이런 공정변수들은 금속 3D 프린팅의 에너지 밀도를 결정한다. 프린팅 시 높은 에너지 밀도의 프린팅은 부품에 큰 잔류응력이 생기게 되고 이는 심한 변형을 초래하며 크기가 작은 다수의 기공이 부품 내부에 존재한다. 반면에 낮은 에너지 밀도의 프린팅 조건은 프린팅 공정에서 적은 열응력이 발생되어 변형은 적지만 적층과정에서 낮은 열에너지 때문에 충분한 크기의 용융풀이 형성되지 않아 층과 층 사이에 공기층이 형성되어 넓고 거친 형태의 기공 포함한다. 따라서 적은 변형과 기공으로 프린팅 할 수 있는 최적의 에너지 밀도를 찾아 프린팅 하는 것이 중요한 문제이다. 또한 에너지 밀도에 따른 공정해석과 기공률 측정을 통해 파워 220W(85.9J/) ∼ 230W(89.8J/), 속도 890mm/s(87.78J/) 이하에서 급격한 변형이 발생함을 볼 수 있으며 파워 210W(82.03J/) ∼ 240W(93.75J/)사이에서 금속분말이 가장 잘 용융되어 기공 (Pores)이 가장 적은 것으로 확인되었다. 또한 속도 830mm/s (94.13 J/) ∼ 920mm/s (84.92J/)사이에서 역시 낮은 기공률을 보였다. 변형량과 기공률을 종합적으로 고려했을 때 3D프린팅 출력을 위해서는 에너지 밀도 85J/ 부근 (파워 250W, 속도 920mm/s)에서 출력하면 가장 적은 기공과 변형으로 부품 출력이 가능할 수 있음을 확인하였다. 또한 열처리 (HIP, hot isostatic pressing)를 통해 잔류응력을 제거하여 향상된 기계적 물성을 보였으며 열처리 전 후의 미세조직 분석결과 기공을 비롯한 결함이 없어졌으며 표면 역시 미세골절 (microvoid coalescence) 형상이 관측되었다. The wheel lock-pin of UH-60P "Black hawk" helicopter landing gear currently used by the Republic of Korea Army (ROKA) is used to fix the wheels so that the helicopter does not change its direction when the helicopter taxing on the ground. When a large force is applied to the lock-pin in a static state, the lock-pin is failed and serves to prevent damage to the entire system of the landing gear. The cause of the failure of the lock-pin is usually caused by the mistake of the pilot. The problem is that the failure of the lock-pin is very frequent and the part depends entirely on imports. If the supply is not smooth, it leads to a loss of power and leads to a national loss. The purpose of this study is to make it possible to procure domestic when needed. Therefore, it is necessary to identify the causes of tail wheel lock-pin failure through reverse design, material analysis and failure analysis through finite element analysis, and fabrication of lock-pin with process analysis. The lock-pin is broken on the ground before the helicopter takes off. The reason is that the pilot generates tail rotor thrust in “lock” state where the lock-pin is engaged. And a shear load of about 10.04kN acts on the pin. This load is a direct cause of the failure of the lock-pin. and the reliability of the failure prediction model was verified by comparing the shear stress and Von-mises stress values ​​applied to the failure point with the finite element analysis. Among the additive manufacturing, A PBF technique is the most common technology, and it has the advantage that it is possible to output parts at high resolution and to print using various metal powders. However, after the part output, the deformation due to residual stress and the pores generated by various physical phenomenon adversely affect the mechanical properties of the part. In particular, for metal 3D printing, there are various process parameters which determine the energy density of metal 3D printing. Printing with a high energy density at the time of printing, the results in a large residual stress on the part, which causes large deformation. Printing with a low energy density does not sinter the metal powder and the result including many porosity. Therefore it is important to find and print an appropriate energy density. In addition, the process analysis and porosity measurement with respect to energy density show the large deformation under the 220W (85.9J/) to 230W(89.8J/) and 870mm/s(90J/) to 890mm/s(88J/). On the other hand, 210W(82.03J/) to 240W(93.75J/) and 830mm/s(94.13J/) to 920mm/s (84.92J/) exhibit the lowest porosity. Considering the amount of deformation and porosity, A optimum PBF metal 3D printing conditions with the lowest porosity and deformation is energy density of 85J/(250W, 920mm/s). Electron back scatter diffraction (EBSD) inverse polo figure (IPF) maps and grain size distributions of the as-built specimens under the optimum conditions of 250W and 920mm/s confirm the re-crystallization of grains in the building process. Most grains exhibit a <001> texture and a columnar structure characteristic of PBF along the printing track because the <001> direction is the preferred orientation that facilitates the release of latent heat of melting during solidification of face centered cubic(FCC) structures. In addition, there is small and homogeneous grain distributions (>95.3% at 0–25μm), which shows excellent mechanical properties. HIP treatment has a substantial effect on microstructure. The grains exhibited a fully recrystallized structure and microvoid coalescence. After HIP treatment, the yield strength and ultimate strength increased by 30.2% and 23.5%, respectively, elongation at break decreased by 18.2%, and the density increased by 1.2% because 17-4PHSS is not fully martensitic in the manufacturing process and 17-4PHSS contains austenite owing to its high solidification rate. This prevents the formation of martensite, thereby forming the austenite microstructure and after HIP-treated, lager equiaxed grain exists due to nucleation growth. This could affect the mechanical properties of the material.

금속 3D프린팅 환경의 안전위험 점검항목 통합모델에 대한 연구

이상진 건국대학교 정보통신대학원 2020 국내석사

3D프린팅은 최근에 등장한 기술이 아니고 수십 년 전부터 존재해왔던 기술이다. 1980년대 초에 3D프린터가 개발되었는데 제조업에서는 주로 RP(Rapid Prototyping)라는 이름으로 시제품을 만드는데 활용되었다. 수년 전부터 일부 프린팅 방식에 특허가 만료되고 메이커 운동이 확산되면서 3D프린터가 대중화되기 시작하였다. 금속 3D프린터는 CNC 머신 등 기존의 절삭가공 도구로 제작하는 것에 비해서 장점을 가지고 있다. 재료의 낭비가 적고, 복잡한 형상도 출력할 수 있는 등의 장점을 가지고 있다. 속도가 느리고 재료가 비싸다는 단점이 있지만, 장비가 발전되고 재료의 국내 생산이 확산되면 이러한 단점들이 개선되어 앞으로 우리나라의 여러 산업에 활용될 것으로 기대된다. 하지만 아직까지 우리나라의 금속 3D프린팅 회사는 대부분 규모가 작고 3D프린팅 업력이 짧다. 3D프린팅 작업환경의 특성상 환기구 설치, 보호 장비를 착용하지 않았을 때 인체에 흡입될 수 있는 유해 요소, 장비의 화재, 폭발 및 상해 위험 등 물리적인 위험과 레이저 시스템, PC 등 장비를 동작시키는 H/W 및 S/W에 대한 보안 등 여러 가지 안전위험이 존재한다. 이러한 금속 3D프린팅 환경의 안전위험에 대한 안전보증을 위해 여러 나라에 안전보증제도가 있는데, 유럽은 CE인증, 미국은 UL3400인증이 있다. 본 논문에서는 3D프린팅에 대한 일반적인 고찰과 금속 3D프린팅 작업 공정에 대해 기술하고, CE인증, UL3400개요와 한국표준협회의 안전교육 내용 중 안전점검 항목을 추출하여 통합모델을 제안하고 적합성 여부를 분석하는 것을 목적으로 하였다. 3D printing is not the latest technology, but it has existed for decades. 3D printers were developed in the early 1980s and were mainly used in manufacturing to create prototypes under the name Rapid Prototyping(RP). A few years ago, 3D printers became popular due to the expiration of patents on some printing methods and the spread of maker movement. Metal 3D printers have advantages over conventional cutting tools such as CNC machines. It has the advantages of less waste of materials and the ability to output complex shapes. Although the speed is slow and the material is expensive, it is expected that if the equipment is developed and the domestic production of the material is spread, these disadvantages will be improved and utilized in various industries in the future. However, most metal 3D printing companies in Korea are still small and have a short 3D printing experience. Due to the nature of the 3D printing work environment, there are many safety risks such as installation of vents, hazardous elements that can be inhaled in the human body when the protective equipment is not worn, physical hazards such as fire, explosion and injury of equipment, and security of H/W and SW that operate equipment such as laser systems, PCs, etc. There are several countries with a safety guarantee system to ensure the safety risks of these metal 3D printing environments, with Europe having a CE certification and the United States having a UL3400 certification. The purpose of this paper was to describe the general consideration of 3D printing and the process of metal 3D printing work, and to extract safety inspection items among CE certification, UL3400 outline and safety education contents of the Korea Standards Association to propose integrated models and analyze their suitability.

Study on 3D/4D printing process design for sustainable materials

조수영 Graduate School, Yonsei University 2025 국내박사

Recent advances in metal additive manufacturing (AM) have provided new opportunities for prompt designs of prototypes and facile personalization of products befitting the fourth industrial revolution. In this regard, its feasibility of becoming a green technology, which is not an inherent aspect of AM, is gaining more interest. A particular interest in adapting and understanding eco-friendly and sustainable materials can set its significant groundwork. This dissertation addresses the development of metal 3D printing and multi-materials 4D printing technologies using sustainable materials to achieve eco-friendly manufacturing procedures. First, binder jetting metal 3D printing using an eco-friendly and water-based solid-phase binding agent will be discussed, which can reduce environmental impact but also maintain the structural integrity and mechanical properties of 3D-printed objects. Sodium salts of common fruit acid chelators form stable metal-chelate bridges between metal particles, enabling elaborate 3D printing of metals with improved strengths. Even further reductions in the porosity between the metal particles are possible through post-treatment. Compatibility of this chelation chemistry with a variety of metals is also demonstrated. To extend the realm of 3D printing of sustainable materials mentioned above, functionally graded porous multi-materials (FGMM) 4D printing for biodegradable hydrogel networks will be further discussed. By introducing rationally designed graded multiphase feeder beds, compositionally graded crosslinking agents gradually form stable porous network structures within aqueous polymer particles, enabling programmable hygroscopic deformation without complex mechanical designs. Furthermore, a systematic bed design incorporating additional functional agents enables a multi-stimuli-responsive and untethered soft robot with stark stimulus selectivity. The biodegradability of the proposed 4D-printed soft robot further ensures the sustainability of our approach, with immediate degradation rates of 96.6% within 72 h. These approaches can contribute to achieving sustainable manufacturing and illuminate the potential of integrating eco-friendly materials and processes. 적층 제조 기술의 최근 발전은 제4차 산업혁명에 적합한 프로토타입의 신속한 설계와 제품의 용이한 개인화에 새로운 기회를 제공하고 있다. 이러한 맥락에서, 적층 제조 기술의 본질적인 특성은 아니지만, 친환경 기술이 될 가능성에 대한 관심이 더욱 커지고 있다. 친환경적이고 지속 가능한 재료에 대한 적응과 이해에 대한 특별한 관심이 중요한 기반을 마련할 수 있다. 이 논문은 지속 가능한 재료를 사용하여 친환경 제조를 달성하기 위한 금속 3D 프린팅 및 다종재료 4D 프린팅 기술의 개발을 다룬다. 먼저, 친환경적이고 수성 고상 결합제를 사용하는 바인더 제팅 금속 3D 프린팅에 대해 논의될 것이며, 이는 환경적 영향을 줄이면서도 3D 프린트된 객체의 구조적 무결성과 기계적 특성을 유지할 수 있도록 한다. 과일산 기반 킬레이터의 나트륨 염은 금속 입자 사이에 안정적인 금속-킬레이트 다리를 형성하여 향상된 기계적 강도로 정교한 금속 3D 프린팅을 가능하게 한다. 이는 금속 입자 사이의 기공성을 더욱 감소시키는 후처리도 가능하며, 킬레이션 화학의 다양한 금속과의 호환도 가능하도록 한다. 앞서 언급한 지속 가능한 재료의 3D 프린팅 영역을 확장하기 위해, 생분해성 하이드로겔 네트워크를 위한 기능적으로 구분된 다공성 다재료(FGMM) 4D 프린팅에 대해서도 논의하고자 한다. 경사 기능 구조로 설계된 등급 분할 피더 베드를 도입함으로써 간단한 바인더 제팅 3D 프린팅 방식이 개발되었다. 경사 기능 구조로 혼합된 가교제는 수용성 고분자 입자 내에서 안정적인 다공성 네트워크 구조를 점진적으로 형성하여 복잡한 기계적 설계 없이 프로그래밍이 가능한 습도 응답성 변형을 유도한다. 더 나아가, 추가적인 기능성 물질을 포함하는 체계적인 베드 디자인을 통해 뚜렷한 자극 선택성을 가진 다중 자극 반응형 및 무선 소프트 로봇을 제작하였다. 4D 프린팅 된 소프트 로봇의 생분해성은 72시간 내에 96.6%의 즉각적인 분해율로 우리 접근 방식의 지속 가능성을 보여준다. 이러한 접근 방식은 지속 가능한 제조를 달성하는 데 기여할 수 있으며, 다양한 프린팅 기술에 걸쳐 친환경 재료 및 공정을 통합할 수 있는 잠재력을 보여줄 것으로 기대된다.

A Study on the Development of WAAM based Free Form Metal 3D Printing Process

송상은 창원대학교 2018 국내석사

와이어와 아크를 사용하는 금속 3D 프린팅 공정(WAAM)은 높은 증착속도와 낮은 생산원가 및 친환경적인 프로세스로 많은 연구가 이루어지고 있다. WAAM 공정에 디지털 디자인을 적용하여 기하학적인 형상을 가지는 대형 구조물, 예술품, 건축물등의 제품을 출력하기 위해서는 2차원의 레이어 적층방식을 통해 3차원의 형상을 출력하는 것이 아닌 장치 외부에서 3차원의 곡선을 만들어 적층을 수행하여야 한다. 본 논문에서는 장치 외부에서 Rod 형태로 금속을 적층하여, 3차원의 자유 금속 형상을 출력하기 위한 금속 3D 프로세스 개발을 위한 연구를 수행하였다. 우수한 품질, 낮은 입열의 CMT 용접을 적용한 WAAM 프로세스를 통해 높은 종횡비와 우수한 외관, 균일한 비드 형상을 가지는 선형을 금속 출력물을 적층하였다. 또한 공정 조건에 따른 선형 금속 출력물의 형상을 분석하여 자유 형상의 금속 3D 프린팅을 위한 공정 조건을 도출하고 최종적으로 여러 형태를 가지는 금속 출력물을 적층하였다.

금속 3D 프린팅 기술적용을 위한 원전 지지격자의 강성 분석 및 형상개발

김용휘 성균관대학교 일반대학원 2020 국내석사

현재 우리나라의 원자력 발전소는 건설중인 발전소를 포함하여 총 28기가 운전 중이다. 국민의 원자력 에너지에 대한 걱정과 우려의 상황 속에서 대국민 신뢰를 얻기 위해 원자력 발전소들의 철저한 유지보수를 해야 한다. 원자력 발전소의 부품은 안전한 운전에 모두 중요하지만 그 중의 백미는 핵연료집합체다. 핵연료집합체 핵연료를 포함하고 있는 핵연료봉과 이를 지지하는 지지격자로 나누어 진다. 지지격자는 핵연료봉의 보호와 간격을 유지하여 노심 냉각에 중요한 부품이다. 지지격자는 현재 기초판인 스트랩 바를 생산하고 이 것을 교차하여 모서리 끝부분 8군데를 점 용접하여 제품을 생산한다. 이렇게 생산된 지지격자는 품질 테스트 및 기준에 부합하여 원자력 발전소의 핵심부품으로 핵연료봉을 보호하고 지지하는 기능을 수행하고 있다. 그러나 점 용접은 용접 기계 및 전원의 용량이 크며 용접 금속 및 표면상태에 따라 용접 품질이 달라지게 된다. 그렇기 때문에 용접 지점의 불량할 수 있다. 그리고 핵연료봉 교체시 발생되는 충격으로 인한 용접 부분의 분리 문제등으로 인해 제품 성능 유지에 문제가 발생할 수 있다. 그래서 이러한 단점을 개선하여 모든 모서리가 붙어있는 단일 모델을 개발하고 지지격자처럼 얇은 박판 구조와 복잡한 형상 출력에 유리하며 가장 중요한 단일 제품으로 생산가능 금속 3D 프린팅 기술을 적용하였다. 따라서 본 연구는 새롭게 개발될 3D 프린팅용 지지격자의 성능을 해석적으로 검증하고 제품 개발의 해석적 기준을 제시하고자 한다.

Evaluating the accuracy of 3D printed metal frameworks for removable partial dentures

윤병수 Graduate School, Yonsei University 2023 국내박사

The fabrication of metal frameworks for removable partial dentures (RPDs) has traditionally involved the labor-intensive process of forming a wax pattern and casting it. However, the field of dentistry has seen attempts to incorporate Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing (CAD/CAM) technology with the advent of digital technology. There are two digital methods for creating metal frameworks for RPDs. The first method involves manufacturing an intermediate object with good workability through resin printing and subsequently casting it into metal. The second method involves directly printing with metal, layer by layer, while partially fusing metal powder. To determine the clinical usefulness of metal frameworks fabricated by these methods, it is necessary to evaluate the internal discrepancy between the metal structure and the tissue surface when it is engaged. In this study, the suitability of RPD metal frameworks fabricated using the conventional casting method (CON group), 3D metal printing method (MEP group), and resin printing/casting method (RPC group) was evaluated. Cross-sectional scan data were used to measure the internal discrepancy between the frameworks and the tissue surface. Rest seats and guiding planes were prepared on the partial edentulous model of Kennedy classification class II modification 1, with a cingulum rest on tooth #13 and occlusal rests on teeth #24 (distal) and #27 (mesial). Thirty master casts were produced through repetitive impression taking, and the reproducibility of the model was verified by superimposing the scanned data of each master cast on the scan data of the reference model. After dividing the master cast into three groups of ten each, RPD metal frameworks were fabricated using the three methods: conventional casting (CON), 3D metal printing (MEP), and resin printing/casting (RPC). A silicone material was applied to the inner surface of the finished framework to fit it to the master cast and then cured. Subsequently, only the metal framework was removed, leaving the silicone material in the master cast, and scanned. The scanned master cast and residual silicone material data were superimposed on the master cast using the reference best-fit alignment method. The internal discrepancy was measured at twelve points, with nine points in the palatal area and one point each in the three rest seats for each case. The mean overall internal discrepancies for the CON, MEP, and RPC groups were 279.72 ± 95.41 µm, 241.02 ± 14.03 µm, and 331.70 ± 33.60 µm, respectively. There were no significant differences in the results among the three fabrication methods (p=0.558, 0.542, and 0.774). When comparing the different locations within the group, a statistically significant higher internal discrepancy was observed in the right area (PP1, PP4, PP7) compared to the middle (PP2, PP5, PP8) and left area (PP3, PP6, PP9) in all three groups. Moreover, in the RPC group, a higher internal discrepancy was specifically found in the palatal plate area compared to the rest seat (p<0.05). This study demonstrated that the fabrication of the metal framework using the CAD/CAM method is clinically as useful as the conventional casting method. Additionally, the reference best-fit alignment is suggested as a useful method for evaluating the internal discrepancy of complex structures, such as RPDs. However, since this study was limited to in vitro experiments, further follow-up studies conducted in the oral environment will be necessary in the future. 디지털 기술의 도입으로 치과 분야에서도 CAD/CAM 방식을 이용하려는 다양한 시도를 하고 있다. 가철성 국소 의치 제작 과정 중 중요한 금속 프레임워크 제작을 위한 방식은 전통적으로 왁스 납형의 주조 과정을 거친다. CAD 방식으로 디자인한 프레임워크를 출력하는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 첫 번째는 가공성이 좋은 레진으로 디자인을 출력한 후 이를 매몰하여 주조하는 방식이고, 두 번째 방법은 금속 파우더를 적층하면서 융착시켜 직접 출력하는 방법이다. 이렇게 제작된 금속 구조물의 임상적인 유용성을 보기 위해서는 적합시 조직면과 금속구조물의 내부 부적합도를 측정하여야 하는데, 기존에 이용되던 탄성체를 절단하여 직접 측정하는 방법은 여러 단점을 한계점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 최근 활발히 시행되고 있는 디지털 스캔과 중첩 방식을 통해 3차원적으로 구현된 데이터 상에서 내면 부적합도를 직접 측정하는 방법을 채택하였다. 본 연구에서는 전통적인 주조 방법 (CON 그룹), 레진 프린트/주조 방법(RPC 그룹), 그리고 금속 3D 프린트 방법(MEP 그룹)으로 각각 제작된 가철성 국소의치 금속 프레임의 내면 부적합도를 디지털 스캐닝과 중첩을 통하여 측정, 비교, 분석하고자 한다. 케네디 분류 2급 1류의 상악 부분 무치악 모델을 준비한 후 우측 견치의 설면, 좌측 제1 소구치의 원심, 좌측 제2 대구치의 근심에 레스트를 형성 한 후 유도평면을 설정했다. 해당 치형에 인상을 반복적으로 채득하여 30개의 작업모형을 만들었다. 모형을 10개씩 세 그룹으로 나눈 후 세 가지 다른 과정으로 각각의 작업모형에 프레임워크를 제작했다. 광학 삼각측량 원리 기반의 테이블탑 스캐너로 디지털 스캐닝하고 참조 최적 적합 방법으로 정렬된 30개의 데이터군 상에서 각각 12개의 점을 지정하여 내면 부적합도를 측정했다. 스캔된 데이터는 참조 최적 정렬(reference best-fit alignment) 방법을 이용하여 정렬하였다. 이를 위해 우선 작업 모형만 스캔한 후, 얇은 실리콘 재료를 프레임워크에 적용하여 작업 모형에 맞추고, 프레임워크를 제거했다. 마지막으로, 실리콘 재료가 부착된 작업모형을 다시 스캔했다. 실리콘이 없는 영역을 참조로 하여 데이터를 정렬하였으며, 3차원상의 단면에서 내면의 부적합도를 측정하였다. 측정위치는 구개판 영역에서 9군데 (PP1, PP2, PP3, PP4, PP5, PP6, PP7, PP8, PP9), 레스트 영역에서 3군데 (RS13, RS24, RS27)이다. 데이터 분석 결과 CON, MEP 및 RPC 그룹에 대해 전체 내면 부적합도의 평균값은 각각 279.72 µm, 241.02 µm 및 331.70 µm로 세 가지 제작 방법 간에 유의미하게 차이가 없었다(p=0.558, 0.542 및 0.774). 그룹 내에서 위치별로 비교할 경우 구개판 영역의 오른쪽 부위 (PP1, PP4, PP7)가 가운데 (PP2, PP5, PP8)와 왼쪽 부위 (PP3, PP6, PP9)에 비해 통계적으로 큰 내면 부적합도를 보였으며, RPC 그룹내에서만 레스트 영역보다 구개판 영역에서 통계적으로 큰 내면 부적합도가 측정되었다. 위의 결과를 토대로 금속 3D 프린팅은 전통적인 주조 방식과 비교하여 임상 기준을 충족하는 가철성 국소 의치의 프레임워크를 제작할 수 있는 유용한 방법임을 보였다. 또한, 상악 케네디 분류1급 2류의 무치악에서는 후방연장부에 가까운 구개판 영역에서 적합도가 떨어지며, 레진 프린팅 후 캐스팅을 한 경우엔 구개판 영역에서 레스트 영역에 비해 적합도가 떨어진다는 점을 확인하였다. 본 연구는 구강내에서 직접 시행하지 않았다는 한계점이 있기 때문에 향후 추가적인 연구가 필요하다. 아울러, 본 연구에서 디지털 중첩 방식으로 채택한 참조 최적 정렬 방법은 프레임워크의 내면의 부적합도를 평가하는 유용한 접근 방법이며, 추후 모델상이 아닌 구강내에서 적용 방법을 발전시킬 필요가 있다.