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.

스마트팩토리를 위한 3D 프린터 도입 생산성 분석 : 모바일 사례 중심

이은혜 연세대학교 공학대학원 2018 국내석사

Since the 4th Industrial Revolution began to draw the public attention in Germany in 2011, the manufacturing sector has been much concerned with the smart factory. Thus, the manufacturing sector are changing or planning to change their processes from automatic production system - whereby less workers handle the facilities set in advance - to the smart factory wherein materials, facilities, energy and environment exchange with each other to make a judgement autonomously or change the program and facility setting. At the same time, various technologies supporting the smart factory are spotlighted, being developed. One of such technologies is the 3D printing technology. Industry New dated May 28, 2018 selected the 3D printing as one of the three smart factory technologies. The manufacturing sector is changing rapidly to meet customers' needs. For the last 5 years, the household electronic facilities, in particular, the small electronic commodities have been changing from plastic to metal materials, because the luxury image and ruggedness of the metal conduce to enhancement of the quality and dignity of the commodities and thus, satisfaction of consumers' needs. Thus, many commodities are changing from the plastic to metal ones, and the factories have begun to innovate the CNC, anodizing, etching and other metal processes. This study pays attention to the 3D printing applied in the manufacturing sector. The study points were set as follows; First, this study surveyed the types, properties and processing of the metals through Internet surfing. Secondly, this study reviewed concept of the 3D metal printing and its market conditions. Thirdly, this study 3D models and 3D prints the body of 'A' company's mobile phones and thereby, analyzes the availability of 3D printing for the factories. Fourthly, this study analyzed such effects of 3D printing as efficiency of process, effectiveness of the space, efficiency of manpower, effects of decreasing product defects, and effects of quality improvements and factory economy quantitatively. After all, this study has confirmed that 3D printing would be more efficient than CNC metal processing in terms of process variance, spatial effectiveness and manpower management. The quality of the commodity produced by 3D printing could be confirmed by checking the real commodities. Lastly, it is hoped that this study would be followed up by future studies that will address the problems of replacing the CNC process, anodizing and etching processes. 2011년 독일에서 시작된 4차 산업혁명이 몇 년 전부터 크게 대두되면서 제조업계는 스마트 팩토리에 많은 관심을 가지게 되었다. 작업자의 비중을 낮추고 미리 설비를 세팅하여 생산하는 자동화 공장으로의 전환에서 이제는 스마트 팩토리로 즉 공급되는 소재, 설비, 에너지, 환경 등 주변 상태에 따라 서로 통신하며 자율적으로 판단하여 프로그램을 변경 시키고 설비의 설정값을 자율 변경하여 제조하는 형태의 스마트 팩토리로의 전환을 하고 있거나 계획 중이다. 이와 더불어 스마트 팩토리를 뒷받침 할 많은 기술들 또한 각광 받고 발전하고 있다. 이 중 하나가 3D 프린팅 기술이다. Industry news 2018년 5월 28일 자에는 스마트 팩토리 주요 요소별 기술 및 산업 동향 3개중 하나로 3D프린팅을 선정하기도 하였다 제조업은 고객의 욕구에 맞춰 지속적으로 빠르게 변화하고 있다. 최근 5년간 생활가전 특히 소형 전자 제품 위주로 플라스틱 제품에서 메탈 재질로의 변화가 두드러지고 있다. 이는 금속 재질의 고급스러운 이미지와 견고성이 제품의 품질과 품격을 높여 구매자로부터 제품 구매욕구를 한층 더 충족시키는 역할을 하고 있기 때문이다. 이로 인해 많은 제품이 플라스틱 제품에서 메탈제품으로 변화하고 있고 제조 현장은 금속을 가공하는 CNC 공정, 아노다이징, 에칭과 같은 메탈 공정이 생겨나게 되었다. 이를 대신해 4차 산업혁명을 이끌어갈 기술이자 제조산업에 혁신적인 변화를 일으킬 기술인 3D프린팅으로 대체 했을때의 연구를 하였다. 본 연구에서 다루고자 하는 것은 다음과 같다. 첫째, 문헌과 인터넷상의 자료를 통해 지금까지의 금속의 종류와 특성, 가공 공정을 조사하였다 둘째, 이를 대체 할 수 있는 3D 메탈 프린팅의 개념, 특성, 시장 동향을 알아보고 대체 가능성에 대해 알아보았다. 셋째, A사의 휴대폰 바디를 3D모델링을 하고 3D프린팅을 하여, 제품으로의 활용이 가능한지를 연구 하였다 넷째, 3D 프린팅이 CNC 공정을 대체 했을 때의 공정의 효율성, 공간의 효율성, 인력의 효율성 및 불량 요소 감소와 품질 개선 효과, 경제성을 정량적 분석하였다. 이를 통해 CNC 메탈 가공 보다는 3D 프린팅으로 변경 하였을 때의 공정 변화, 공간 효율성, 인적활용율, 불량측면에서 큰 개선효과가 있다는 것을 확인하였다. 3D프린팅된 실제 제품을 통해 제품의 품질을 확인할 수 있었고, 3D 프린팅이 제조 산업에 CNC공정과 아니다이징, 에칭 공정을 대체하여 극복해야 할 과제와 문제점을 향후 과제로 도출하였다.

Numerical analysis and CFD simulation of bead formation and molten pool dynamics in wire arc additive manufacturing(WAAM) method

Lee, Wanki Sungkyunkwan university 2020 국내석사

The market for metal 3D printing is expanding and the field of application is becoming more diverse. However, the analysis of the deposition process is incomplete and remains as a black box. Therefore, it is necessary to analyze the phenomenon that occurs during the process and find out the relationship between the process variables and the performance of the output of metal 3D printing. In this study, a process simulation model is constructed through CFD program to analyze the metal 3D printing process. The process is divided into two stages. The first stage is metal transfer where the metal wire melts and the molten metal falls. Through the force equilibrium between the sum of the forces to drop the metal droplets and the surface tension, which is the force to hold the metal droplets, the point at which the metal droplets fall is calculated. The second step is analysis of molten pool dynamics. There are 5 types of factors that cause the flow in the molten pool: buoyancy force, Marangoni force, droplet momentum, viscous drag force, and electromagnetic force. To implement each factors that induce molten pool flow, thermophysical properties are used, and subroutines are added to extension of physical models. The CFD results are compared to the figures obtained from the manufactured WAAM coupons. The analysis results and experimental results of the bead shape and the molten pool shape showed a high agreement, and the trend of change in the bead height and the molten pool depth analyzed. By analyzing the molten pool flow, changes in bead height and molten pool depth are analyzed in relation to flow characteristics. Through the WAAM process CFD model developed in this research, it is expected that the study can be extended to a wider range such as defects and microstructure. 금속 3D 프린팅의 시장은 점점 확대되고 있고, 적용 분야는 더 다양해지고 있다. 하지만 적층 공정 과정에 대한 분석은 미비하여 아직 black box로 남아있다. 따라서 공정 중 발생하는 현상을 분석하여 공정변수와 출력물의 성능과의 인과관계를 파악하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 전산유동해석을 통하여 공정해석 모델을 구축하여 공정 과정을 분석한다. 공정 과정을 2단계로 나누어 물리 모델을 취합한다. 첫 단계는 금속 와이어가 녹아 용융된 금속이 떨어지는 metal transfer이다. 금속 방울을 떨어뜨리고자 하는 힘의 합력과 금속 방울을 붙들고자 하는 힘인 표면장력 간의 힘 평형식을 통하여, 금속 방울이 떨어지는 시점을 산출한다. 두번째 단계는 금속 용탕에 유동을 만드는 물리 모델 취합이다. 용탕에 유동을 유발하는 요소는 총 5종류로 정리되며, 부력, Marangoni 힘, 금속 방울의 선형 운동량, 점성 항력, 그리고 전자기력이다. 부력, Marangoni 힘, 그리고 점성 항력은 재료의 열적물성을 사용하면 발생하는 현상들이다. 금속 방울의 선형 운동량 구현을 위하여 droplet generator module을 구축하여 전산유동해석에서 금속 방울이 운동량을 가지고 떨어지게 한다. 전자기력 구현을 위하여 subroutine을 작성하여 전산유동해석에 적용한다. 추가로 아크가 직접적으로 base plate에 주는 영향을 고려하기 위하여, 아크 열원 모델과 아크 압력 모델을 구축하여 해석모델에 추가한다. 전산유동해석 결과를 출력한 WAAM coupon에서 획득한 figure와 비교한다. 비드 형상과 용탕 침투 형상에서 해석결과와 실험결과가 상당히 높은 일치율을 보였으며, 비드 높이와 용융 pool 깊이의 변화 경향을 파악한다. 용융 pool 유동을 분석하여 비드 높이와 용융 pool 깊이의 변화를 유동 특성과 관계지어 분석한다. 본 연구에서 개발된 WAAM 공정 전산유동해석 모델을 통하여 결함 및 미세조직 예측처럼 더 넓은 범위로 연구가 확장될 수 있을 것으로 바라본다.

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.

Evaluation of shear bond strength between cobalt-chromium alloy and 3D printed resin material used in digital removable partial dentures

김기연 Graduate School, Yonsei University 2022 국내석사

Objective: The purpose of this study was to investigate the bond strength between the additively manufactured metal and the currently available denture base resin materials including conventional types (heat-cure and cold-cure) and additively manufacturing-based type. Problem Statement: Intimate and strong bonding between the denture base and metal framework is crucial for the function of RPDs. However, the bond strength between additively manufactured resin and metal materials has not been extensively studied. Materials and Methods: A specimen was designed using a CAD software program. Then specimens were produced using slicing software and a metal 3D printer. A jig to fix the metal specimen for the subsequent shear bond test was additively manufactured. A metal specimen was placed in the hole and cured together using a curing machine. Each specimen was polished with 600 grit sandpaper. A thin layer of metal primer was applied to the surface of the completely dried metal specimen. As the type of denture resin to be bonded to the metal specimen, three types of products were used: heat-cure resin (Group HEA), self-cure resin (Group COL), and denture resin for 3D printing (Group TDP). For the fabrication of the denture specimen, a square 3D model was created as an stl file. First, in group HEA, square stl files were wax milled. A metal specimen and a jig were fixed and invested using plaster. A wax milled square cube was fixed on a metal specimen, and the square cube was covered using a silicone. The injection line was placed over the silicone. All specimens including injection lines were covered with silicone. The flasks were combined and the plaster was injected into the both upper and lower half flasks. The flasks were then separated, and residual wax was completely removed. A thin layer of metal primer was applied to the surface of the metal specimen. The upper and lower half flasks were combined again and the heat-cure resin was inserted to the injector. Second, in group COL, the 3D printed block was placed in the center of the metal specimen, and then a wax was thinly applied to the outer surface and fixed. The fixed 3D printed block was well covered with a silicone. The 3D printed block was removed and a self-cure resin was poured into the space where the negative shape was formed. After the resin was finally cured, the silicone was removed. Finally, in group TDP, a square denture resin was printed with a 3D printer. After applying the denture resin to the printed cube denture resin, it was placed in the center of the metal specimen. Shear bond strength was measured using a Universal Testing Machine. After the shear bond strength test was performed, the fracture mode was observed and the shear bond strength values were analyzed using a statistical software. After evaluation of the normality assumption with the Shapiro-Wilk test, the differences were analyzed using the one-way analysis of variance (ANOVA) test. Results: Since all three groups followed a normality assumption, one-way ANOVA was performed. There was no significant difference in the mean shear bond strength between the three groups (P=0.683) However, a different pattern was observed in the fracture mode. In common, no cohesive failure mode was observed in any group. However, group HEA and group COL had a higher frequency of adhesion failure mode, and group TDP had a higher frequency of mixing failure. Conclusions: Fabrication of removable partial dentures with AM resin material for denture base may be feasible in terms of chemical bond strength.

DED 3D프린팅을 이용한 레이저 분말 적층 공정조건 변수에 따른 상관관계 분석 : Using DED 3D Printing Correlation Analysis according to Laser Powder Lamination Process Condition Variables

심재현 경희대학교 대학원 2023 국내석사

3D printing technology, which has recently attracted attention as the "4th Industrial Revolution," is rapidly increasing in various high-value industries such as medical, automobile, and aerospace. In this paper, to ensure effective process conditions in the DED lamination process among 3D printing technologies, a lamination experiment was conducted using equipment of DENT using a SUS316L material. This paper analyzed the correlation according to variables to secure effective stacking process conditions in the DED process. The key parameters required in the DED process have a great impact on product quality, and among them, they are very important key factors for the output of the laser, stacking speed, and supply of materials. In this study, a lamination experiment was conducted using DENT's equipment using a SUS316L material. Based on this, the optimal process conditions were predicted through statistical analysis of the correlation, and the consumption of materials required for the basic layer was minimized. In order to increase output quality and reliability, a technology that manages the quality of output by analyzing the interrelationship of the collected process data is essential. Accordingly, the effective defects extracted from the production process were defined and the correlation after classification was analyzed. In this study, the width of the molten pool that changes according to the process parameter input value in the DED lamination process was tested, and the optimal conditions were reviewed by finding the dilution rate of the molten pool combined with the basic base material. After that, the shape was observed through cross-sectional analysis, and correlation analysis for each core factor was conducted through data of various process values for each stack. Through this study, it is expected that it will be able to be applied and expanded to many fields in the future through the accumulation of effective data applied to actual production, and through this, it will be possible to achieve national competitiveness. As a countermeasure to the high material price of metal 3D printing, it is expected to be able to be applied to fast and efficient lamination process products for AM (Added Manufacturing) lamination processes that can be used in various tasks, and to produce predictable finished products that can minimize expensive material consumption. In the future, we will study methods that can be used in 3D finished production process techniques using mechanical materials other than SUS316L materials through various studies such as experiments on stacking path patterns and post-treatment processing technologies.

직접에너지증착 공정을 이용한 STD61 금속분말의 적층부 특성 분석

정용주 조선대학교 대학원 2020 국내석사

현대 사회에서 사용하는 플라스틱 부품은 사출금형에 의하여 만들어 지는데 금형 내구성 강화와 생산성 향상을 통한 이익 창출을 위한 노력을 하고 있다. 생산성 향상을 위한 가장 기본이 생산 Cycle Time인데 여기서 가장 영향을 미치는 냉각 효율성이다. 이 냉각 효율성을 극대화 하기 위하여 열전도성 소재를 사용하여 냉각 효율을 증가하고 싶으나 열전도성 소재의 단점인 내구성을 개선하기 위하여 DED공법(Metal 3D Print)을 활용하여 내구성을 강화하고 그에 따라 생산성을 확보하기 위하여 본 연구를 진행 하였다. 금형용 소재로 사용하는 프리하든강의 강도와 경도, 항복 강도를 보유할 수 있도록 열전도성 소재(Be-Cu합금강)에 금속 분말을 레이져빔을 활용하여 내구성이 취약한 Conner부 등에 DED 공법 적층을 통한 열전도성 소재의 단점을 개선하고자 한다. 본 연구에서는 열전도성 소재의 장점을 취하고 단점이 내구성을 강화하기 위하여 Metal 3D Print DED 공법을 활용하여 이익을 창출하기 위한 생산성 향상 및 금형 내구성 향상을 찾고자 연구 하였다. Plastic parts used in the modern society are made by injection molding, and we are making efforts to create profits by strengthening mold durability and improving productivity. The most basic for improving productivity is the production cycle time, which is the cooling efficiency that affects the most. In order to maximize this cooling efficiency, we want to improve the cooling efficiency using a thermally conductive material, but to improve the durability, which is a disadvantage of the thermally conductive material, we use the DED method (Metal 3D Print) to enhance durability and secure productivity accordingly. For this purpose, this study was conducted. Thermal conductivity through lamination of DED method to the weakly durable Conner part by using laser beam of metal powder on the thermally conductive material (Be-Cu alloy steel) to retain the strength, hardness, and yield strength of the pre-hardened steel used as a material for the mold. We want to improve the disadvantages of the material. In this study, a method of improving productivity and improving mold durability was proposed to take advantage of the thermally conductive material and to increase profits by using the Metal 3D Print DED method to enhance durability.

DMLS 방식의 금속적층제조 전산해석을 통한 배기관의 치수 특성에 관한 연구

정명휘 경상국립대학교 대학원 2022 국내석사

적층제조는 디지털 메쉬 모델을 바탕으로 레이어별로 3차원 객체를 쌓아올리는 기술로 기존공정에서는 제조가 불가능하고, 복잡한 고부가 가치의 기계부품 제작을 가능하게 하였다. 최근에는 레이져 빔을 활용하여 금속 분말을 용융시켜 제조하는 DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 방식의 적층제조 공정을 이용하여 티타늄, 인코넬 등의 분말소재를 사용하여 자동차, 항공 및 우주 산업분야의 부품제작에 널리 활용되고 있다. 그렇지만 적층제조 공정 시에 제작되는 부품의 내부에 잔류응력이 발생되기 때문에 부품의 균열, 박리 및 치수 변형을 발생시키고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 최근에는 적층제조 공정을 종합적으로 분석하고, 설계 단계에서 위험 요소를 예측하여 잔류응력에 의한 형상의 뒤틀림을 제어하는 전산해석이 필수적으로 요구되고 있다. 본 논문 연구에서는 항공기 부품 중의 하나인 배기관 부품을 실험대상으로 선정하였다. DMLS 방식의 배기관의 적층제조 공정에서 발생하는 잔류응력에 인한 치수변형의 최소화를 위하여 전산해석을 통한 변형보상 설계 적용하여 적층제조 실험을 수행하였다. 적층제조된 배기관의 치수특성은 3D 스캔과 3D 치수 검사툴을 사용하여 3차원 치수분석과 포인트 치수분석을 수행하였다. 적층제조된 배기관과 초기 CAD 모델과의 3차원 치수 특성을 분석한 결과, 변형보상 설계 적용 전의 배기관은 허용오차 50.46% 범위를 만족하였고, 변형보상 설계 적용 후에서는 83.41% 범위로써 변형보상 배기관의 치수 정밀도가 약 30% 개선되었다. 포인트 치수특성을 분석한 결과, 변형보상 설계 적용 전의 배기관은 약 28%가 허용오차 범위를 만족하였고, 변형보상 모델 적용 후에서는 약 71%가 허용오차 범위를 만족하였다. Additive manufacturing is a technology that builds three-dimensional objects for each layer based on a digital mesh model, making it impossible to manufacture in traditional production and enabling the production of complex high value mechanical parts. Recently, it has been widely used to manufacture parts in the automobile, aviation, and space industries using powder materials such as titanium and inconel using a direct metal laser sintering (DMLS) method of melting metal powder using laser beams. However, since residual stress is generated inside the part manufactured during the additive manufacturing process, cracks, delamination, and dimensional deformation of the part are generated. To solve this problem, a computational analysis is required to comprehensively analyze the additive manufacturing process and predict risk factors in the design stage to control the distortion of the shape due to residual stress. In this paper, exhaust duct parts, one of the aircraft parts, were selected as the experimental subjects. In order to minimize dimensional deformation due to residual stress generated in the exhaust duct in the DMLS method of additive manufacturing process, additive manufacturing experiment was carried out by applying a distortion compensation design through computational analysis. On the part of dimensional characteristics of the additive manufactured exhaust duct, 3D dimension analysis and point dimension analysis were performed using 3D scan and 3D dimension inspection tools. As a result of analyzing the 3D dimension characteristics between the additive manufactured exhaust duct and the original CAD model, revealed that the exhaust duct before applying the distortion compensation design satisfied the tolerance range of 50.46%. After applying the distortion compensation design, the dimensional accuracy of the distortion compensation exhaust duct was improved by about 30% as the tolerance range was satisfied by 83.41%. As a result of analyzing the point dimension characteristics, about 28% of exhaust duct before applying the distortion compensation satisfied the tolerance range, and about 71% satisfied the tolerance range after applying the distortion compensation.

A Computational Framework for Modeling and Simulation of Metal Binder Jetting

Isied, Roger Samir University of California, Berkeley ProQuest Disser 2022 해외박사(DDOD)

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Metal 3D printing has rapidly grown as a viable manufacturing method in recent years, reducing the barrier to entry for fabricating highly complex geometries. Such structures are almost impossible to create using traditional metal manufacturing processes. One method which has shown promise is metal binder jetting. Unlike most laser-based metal 3D printing prototyping applications which generate parts on a point-by-point basis, binder jetting has the ability to fabricate parts on a layer-by-layer basis, allowing for simultaneous component array fabrication. This multi-stage manufacturing process entails many physical mechanisms such as particle kinematics and dynamics, liquid diffusion into a porous media, heating of a multiphase, porous media, and near-phase transformations. This study presents a computational framework to separate this complex manufacturing process into various discrete and continuum-based models which can be simulated using tailored numerical methods for each application. Example models are explored, including a powder deposition simulation using the discrete element method, a multi-phase layer heating simulation using the finite difference method, and deformation of binder jetted metal components during sintering using the material point method. A machine learning model is developed using an image segmentation neural network to predict how bulk sintered parts will deform without the need for a full-scale multiphysics simulation. Through this exploration, it was determined that a multidisciplinary approach that combines chemistry, materials science, physics, numerical methods, and machine learning can be utilized to create a digital twin of binder jetting for process characterization and to better inform design decisions.

바인더젯팅 적층제조 소재의 이방성 재료물성 특성화

채유진 연세대학교 대학원 2025 국내석사

본 논문은 바인더젯팅 적층제조 방법으로 제작된 소재에 대한 이방성 재료물성 특성화를 다룬다. 적층제조 방법은 기존 생산공정에 비해 공정 단계가 단축되는 등 여러 장점을 가지고 있다. 그 중, 분말을 이용하는 바인더젯팅은 높은 생산성으로 양산 적용에 각광 받는 적층제조 방법이다. 부품 설계 및 생산하는 과정에서 신뢰도 높은 시뮬레이션 결과가 요구됨에 따라 재료물성 및 유한요소 모델링에 대한 정밀한 분석이 중요하다. 바인더젯팅 적층제조 방법을 통해 제작된 소재는 공정 변수에 따른 물성이 상이하고 공정 특성상 방향에 따라 물성이 다른 이방성이 존재한다. 이에 따라 적절한 공정변수 설정, 이방성 평가 및 분석을 통한 물성 특성화가 필수적으로 요구된다. 본 연구에서의 대상 소재는 SUS316L 오스트나이트계 스테인리스 강으로 적절한 공정변수를 제안하기 위해 바인더젯팅 적층제조 공정 중, 소재의 밀도에 가장 많은 영향을 끼치는 변수인 소결온도를 1150℃, 1250℃, 1350℃로 설정하였다. 소결온도에 따른 상대밀도를 분석하고 이방성을 고려한 물성시험을 위해 적층방향을 기준으로 0°, 45°, 90°에 해당하는 시편을 채취하였다. 준정적 변형률속도 0.001/s로 인장시험을 수행하고 소결온도에 따른 방향 별 물성을 평가하였으며, 소결재 및 파단부의 미세조직을 분석하고 적절한 소결온도를 선정하였다. 더 높은 밀도를 얻기 위해 소결된 소재에 추가적으로 열간등방압 가압법과 냉간등방압 가압법의 후처리 공정을 적용하였다. 소재의 밀도 변화를 측정하고 동일한 조건으로 인장시험을 수행하여 후처리 전후의 소재의 기계적 특성을 비교 및 분석하였다. 이를 기반으로 목적에 따른 적절한 공정변수 및 후처리 방법을 제안하였다. 기공이 존재하는 소결재의 비대칭 물성을 평가하기 위하여 압축시험을 수행하여 단축 인장 물성과 비교하였다. 바인더젯팅 적층소재의 복잡한 변형거동을 정확하게 예측하기 위해 경화거동과 항복거동으로 구성방정식을 정의함으로써 물성을 특성화하였다. 다양한 경화식을 이용하여 적층소재의 경화거동을 잘 모사하는 적절한 경화식을 선정하였다. 항복거동의 경우 적층방향에 대한 이방성과 비대칭성을 모두 고려할 수 있는 항복함수를 이용하여 구성방정식을 정의하였다. 정의된 구성방정식의 유효성을 검증하기 위하여 굽힘 시험에 대한 시험과 유한요소해석을 수행하였다. 등방성 및 이방성 구성방정식을 유한요소해석에 적용하여 굽힘 시험 모사 시뮬레이션을 수행하고 시험 결과와 비교 분석하였다. 제안된 이방성 구성방정식을 적용한 경우, 시험 결과를 매우 잘 모사하는 것을 확인하였다. 이러한, 바인더젯팅 소재에 대한 고등 구성방정식의 구성은 신뢰도 높은 해석 결과를 얻기 위하여 필수적이며 바인더젯팅 적층소재의 활용 및 산업화에 많은 도움이 될 것으로 판단된다. This paper addresses the characterization of anisotropic material properties for additively manufactured material by binder jetting. Additive Manufacturing(AM) has many advantages to realize a complex shaped components compared with traditional manufacturing methods. The binder jetting method(BJT), an efficient AM process with metal powders, is being focused for the mass-production and the industrialization due to its high productivity. It is important to precisely characterize the material properties and the FE modeling as reliable simulation results are required in component designs and production processes. Materials additively manufactured by binder jetting shows significantly different material behavior regarding the process variable such as the sintering temperature. Furthermore, the BJT material has the anisotropy that material properties vary according to the orientation from the building direction. Therefore, it is essential to acquire appropriate process variables and to evaluate anisotropic material properties in detail. In this study, the target material was selected with SUS316L, austenitic stainless steel. To propose a proper set of process variables, the sintering temperature which is a key-factor to control the material density, was mainly addressed with different conditions of 1150°C, 1250°C and 1350°C. The relative density was analyzed from the sintered materials at various temperatures. Specimens were fabricated along 0°, 45°, 90° from the building direction to perform material tests considering the anisotropy. Tensile tests were carried out at the quasi-static strain rate of 0.001/s to investigate directional properties with regard of the sintering temperature. Microstructural study in as-sintered and fractured samples was then conducted to determine an appropriate sintering temperature. Two different post-processing methods with the isostatic pressure were applied to the as-sintered materials to achieve higher relative density. After the post-processing, changes in the relative density and the material properties were evaluated through the measurement of the density and the mechanical testing, respectively. An appropriate set of process variables including the post-processing was proposed to control the material properties for industrial purposes. To identify the asymmetric properties of porous materials sintered, compression tests were conducted to compare the material behaviors in uniaxial tension and compression. The complex deformation behavior of the BJT material was characterized with a constitutive equation containing the yield function and the hardening law. For the hardening, various hardening equations were examined to find out the best-fit model. A representative advanced yield function was employed to describe both anisotropy and asymmetry. The defined constitutive equation was then validated by comparing experimental and FE simulated results of bending tests. The FE simulations were conducted with the isotropic and the anisotropic constitutive equations to predict the deformation in the bending test. The FE result with the anisotropic constitutive law shows a good agreement with the experiment. It is noted that the advanced constitutive equation is necessary to obtain reliable simulation results. The material modeling technique for the BJT materials would be useful for extension of application of the binder jetting process in many industries.