지지대 필요성 파악

 

 지지대

3D프린터로 제품을 출력 시 필요한 바닥받침대와 형상보조물을 말한다.

 

1.    형상보조물

제품의 출력 시 적층바닥과 제품이 떨어져 있을 경우 이를 보조해 주는

지지대를 말한다.

 

2.    바닥받침대

제품의 출력 시 적층바닥과 제품을 보다 견고하게 유지시켜 주는

지지대를 말한다.

 

 지지대의 이용

3D 프린팅 방식에 따라 여러 가지 오류가 존재한다.

여러 가지 오류를 제거하기 위해 지 지대를 이용하면 제품을 제작하면

효율적으로 제품의 품질을 향상 시킬 수 있다. 3D 프 린팅은 제작 방식에

따라 제작의 오차 및 오류가 존재 한다. 이를 해결하기 위해서 지지 대를

형상 제작에 이용하면 오차를 줄일 수 있다.

아래 그림에서 보는 것과 같이 지지대를 이 용하여 제품을 제작 하는 방법과

지지대를 이용하지 않고 제작 하는 방법이  있다. 

이때  왜 제품을 제작 할 때 지지대를 제작 하는 이유는 아래의 면이 클 때

제품 형상의 뒤틀림 이 존재하기 때문이다. 그래서 FDM 방식에서 구조물을

제작 할 때 제품의 아랫면이 크거 나 뒤틀림이 존재 할 때에는 지지대를

이용하여 제품을 제작 하면 제품의 뒤틀림과 오차 를 줄일 수 있다.

그리고 SLA 방식으로 제품을 제작 할 때 지지대를 제작 하느냐 안하느냐에

따라 형상의 오차 및 처짐 등이 발생 할 수 있다. 그래서 제품에 따른 지지대

유무에 따라 더 나은 품질의 제품을 제작 할 수 있다.

–지지대 필요성

- – 지지대

----- 형상보조물: 적층바닥과 제품

----- 바닥받침대: 적층바닥 보강

- – 지지대 이용

----오류제거

----제품 품질 향상

----제품 형상 뒤틀림 감소

<그림 1> 지지대이용

<그림 2> 3D 프린터로 출력한 지지대

 

 지지대 필요성

- 지지대 구조물(Support structures)

–       조형물 고정

–       지붕형상 처짐 방지

–       접착력 제공

–       성형결함

----------- Sagging: 하중으로 처짐

----------- Warping: 수축으로 뒤틀림

 

3D 프린팅장치는 소프트웨어와 하드웨어를 포함하여 일체화된 기기이다.

CAD 데이터에서 2차원 슬라이스 데이터를 추출할 뿐만 아니라 실제의

조형에서는 헤드 및 보조 장치를 제 어할 많은 데이터를 생성한다.

또한 액체상태의 광경화성 수지를 사용하는 광조형법이나 녹인 재료를

주사하여 형상을 제작하는 경우에는 조형물이 완성되어서 분리시킬

때까지 조형물의 고정은 물론, 파손, 지붕형상과 돌출부분에서의 처짐

등을 방지하기 위해서 지지 대가 반드시 필요하다. 초기에는 모델링할 때

지지대 설계가 이루어지기에 사용자가 직접 경험과 시행착오를 거치면서

이루어져 왔다. 하지만 불필요한 부분에 지지대가 형성되거 나 필요한

부분에 지지대가 형성되지 않는 경우가 발생하였으며 정밀도에서

있어서도 좋 지 않는 영향을 미쳤다.

이러한 문제점을 해결하고자 많은 전문가들이 노력한 결과로 현재는

지지대 설계를 적절한 지지대를 자동으로 생성하는 소프트웨어가 개발되었다.

그러나 어떤 지지대 자동 생성 프로그램도 완벽하지 못하므로 전문가에 의한

수정이 필요한 경우가 많다.

지지대는 필요로 하는 형상과 기능에 따라 아래 그림과 같이 나눌 수 있다.

< 그림3 > Classifications of support structures

<그림 3>  Classifications of support structures

우선 가장 일반적인 경우로

(a)는 외팔보와 같이 새로 생성되는 층이 받쳐지지 않아 아래로 휘게 되는 경우이다.

물론 (b)와 같이 양단이 지지되는 경우도 이를 받치는 기둥의 간 격이 크면

가운데 부분에서  처짐이  과도하게  발생하게  된다. 

(c)는 이전에 단면과는 연결되지 않는 단면이 새로이 등장하는 경우로,

지지대가 받쳐주지 않으면 허공에 떠 있는 상 태가 되어 제대로 성형되지 않는다.

(d)는 특별히 지지대가 필요한 면은 없지만 성형 도중 에 자중에 의하여

스스로 붕괴하게 되는 경우다.

(e)는 기초 지지대로 성형 중 진동이나 충격이 가해졌을 경우 성형품의

이동이나 붕괴를 방지하기 위한 지지대이다.

마지막으로 (f)는 성형플랫폼에 처음으로 만들어지는 구조물로서

성형중에는 플렛폼에 대한 강한 접 착력을 제공하고,

성형 후에는 부품의 손상 없이 플랫폼에 분리하기 위한 지지대의 일종 이다.

지지대와 관련한 성형 결함으로는 제작 중 하중으로 인해

아래로 처지는 현상을 ‘Sagging’라하며,  

소재가  경화화면서  수축에  의해서  뒤틀림이  발생하게  되는데  

이러한 현상을‘Warping’이라고 한다.

 

 

 

지지대를 넉넉히 생성하는 것은 조형물이 튼튼히 조형될 수 있게 한다.

그러나 지지대가 많다고 해서 좋은 것은 아니다.

지지대를 과도하게 형성할 경우 조형물과의 충돌로 인하여 제품품질이

하락하고 후공정에 있어서 작업과정을 복잡하고 어렵게 만든다.

따라서 필요한 지지대는 생성하되 과도하지 않도록 적절한 수준의 지지대

생성이 필요하다.

지지대 가 조형물과 완전히 붙어 있다면 제거가 어렵다.

따라서 지지대의 제거가 용이하도록 지 지대가 조형물에 접촉되는 부분은

<그림4>와 같이 뾰족한 이빨의 모양으로 처리하게 된다.

   <그림 4>  Face angle θ and critical angle θc

조형물의 지지면과 지지대가 단순히 접해 있는 것만으로는 조형물을

충분히 지지하기 어렵기 때문에서 [그림 5]와 같이δz만큼 지지대의

일부가 조형물의 내부로 침투하는 것으로 가정하여 접촉길이를 정한다.

또한, VP의 경우 조형이 끝나면 지지대의 아래쪽 부분으로 남은 수지가

흘러 나와야 하므로 지지대 망 사이에 통기구와 배출구가 필요하다.

이 경우 뾰족한 이빨 형상은 접촉은 물론 통기와 배출구의 역할도 하게 된다.

<그림 5> Teeth profile in support structure  

– 지지대 제거

– 표면 손상 주의

지지대는 3D 프린터의 출력 시 지지대로 나오는 부산물을 말한다.

출력 후 생기는 지지대를 제거하는 것이 후가공의이다.

3D프린터는 적층성형방식이므로 표면에 레이어가 남는다.

따라서 후가공이 필요하다.

사용자가 어떤 목적으로 사용할지에 따라 후가공은 3D프린팅 하는 것

못지않게 중요하다.

또한, 대부분의 3D프린터 제작물들은 지지대를 제거해야하기 때문에

기본적인 후가공으로 지지대 제거 되어야 하며,

그 다음에 염색이나 코팅 등이 가 능한 것이다.

가장 먼저 이루어지는 지지대 제거 작업은 어려운 작업이 아니다.

하지만 조형방식과 재료에 따라 지지대 제거 방식은 상이하다.

SLA의 경우, 광경화성 수지를 사용 하기 때문에 모델재료와  지지대 재료가 같고, 

가는 기둥형으로  쉽게  떨어지게  되어있다.

<그림 6> 지지대 제거

또한 일반적으로 지지대는 자동생성 되지만 사용자가 원한다면

소프트웨어를 통하여 지지 대 생성을 하지 않을 수도 있다.

3DP방식이나 SLS방식과 같은 적층기술은 따로 지지대를 사용하지

않기 때문에 파우더만 털어주면 제거가 출력물을 얻을 수 있다.

지지대를 제거  할 때, 지지대를 제거한 표면이 거칠거나 손상이

갈수 있으므로 주의가 필요하다.

특히 보급형으로 널리 쓰이는 FDM 방식에서는 강도가 강한 경화된

플라스틱을 제거하므로, 이런 현상이 자주 일어난다.

따라서 출력물의 완성도를 높이려면 후 가공 과정은 필수적이다.