유동가시화 실험

본 연구에서는 carbon fiber와 PDMS의 혼합한 복합소재를 FFF 가공방법을 모사 하여 filament 소재로 사용하고 nozzle channel의 형상과 extrusion 속도에 따른 첨가 제 정렬을 유동가시화 실험으로 관찰하는 것을 목적으로 하고 있다. Fig. 3-9, 10는 첨가제를 혼합한 액상 PDMS가 0.2 mL/min 유량으로 nozzle에 주입될 때, nozzle 내 부 및 nozzle 압출된 후 획득한 유동가시화 이미지이다. Fig. 3-9는 0.2 mm orifice, 0.5mm orifice, no orifice, 실제 FFF에 사용되는 nozzle의 순서로 배열하였다. Fig.

3-9는 nozzle channel 내부를 유동가시화한 이미지이고, Fig. 3-10는 nozzle 압출된 이 후를 촬영한 이미지이다. Fig. 3-9 (a)에서 0.2 mm, 0.5 mm orifice가 포함된 nozzle 유로의 경우에는 첨가제는 orifice gate를 지나고 방사형으로 정렬하는 것을 관찰할 수 있다. 하지만 no orifice, actual nozzle에서는 첨가제는 대체적으로 유동방향에 평 행하게 정렬하고 압출되는 것을 관찰할 수 있다. Fig. 3-9와 같이 추출된 유동가시 화 이미지는 별도의 이미지처리 과정을 통하여 뚜렷하게 초점을 맞춘 섬유들의 위 치, 정렬 각도 등이 정보를 계산하였다.

Figure 3-9. Images of the flow visualization inside of the extrusion nozzle, depending on the inner nozzle configuration for a flow rate of 0.2 mL/min

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Figure 3-10. Images of the flow visualization outside of the extrusion nozzle, depending on the inner nozzle configuration for a flow rate of 0.2 mL/min.

Nozzle에서 압출된 filament는 bed 위에서 90도 굽혀진 이후 경화될 때까지 내부 첨가제 정렬에는 별다른 변화가 발생하지 않는 것으로 관찰하였다. 이는 Fig. 3-11 에서 확인할 수 있다. Fig. 3-11 (a)는 0.2 mm orifice가 삽입된 channel nozzle에서 heating bed로 출력되는 extruded filament의 유동가시화 이미지를 보여주며, nozzle에 서 heating bed로 filament가 압출될 때 90도 굽혀지는 모습을 관찰할 수 있다.

Nozzle 압출 이후 filament에서 첨가제 정렬 변화를 정량적으로 분석하기 위해 nozzle 압출 직후 filament 진행 방향으로 1 mm 내 영역 (Fig. 3-11 (a)에서 A라고 표시된 점선 부분)과 heating bed 위에 적층되는 영역(Fig. 3-11 (a) A’라고 표시된 점선 부분)에서의 평균 첨가제 정렬 각도를 계산하였다. 첨가제 각도는 filament 진 행 방향을 기준으로 시계반대 방향으로의 각도를 Fig. 3-11 (b)에 표시하였다. A와 A’영역에서 계산된 각각 20개 첨가제 각도의 평균값은 각각 32.86°와 39.01°로 계산 되었으며 표본값이 부족하고 유동가시화 영상에서 첨가제를 추적하면 큰 변화가 발생하지 않기 때문에 orifice nozzle에서 압출된 첨가제 정렬을 크게 변하지 않거나 차이가 더욱 감소할 것으로 예상하고 있다. 추가로 heating bed 위에서 경화된 filament의 경우 바닥면에서의 그림자 때문에 유동가시화 이미지 상 A’의 전체 면적 중 20% 해당되는 바닥 부분의 첨가제 각도가 평균값에 포함되지 못했다. 즉 무작 위로 선별된 첨가제의 경우 첨가제 정렬이 낮은 표면 부분을 제외한 영역에서 수 행했다. Nozzle에서 압출된 복합소재의 첨가제는 공기와 접촉되는 표면 영역에서 중앙보다 평행하게 정렬하는 것을 확인할 수 있는데 이는 nozzle 내부의 channel과 비슷한 경향을 보여주고 있다. 최근 FFF 기술에서는 앞선 서론에서 언급한 squeeze flow로 내부의 첨가제 정렬을 변화할 수 있는 연구가 있습니다. 하지만 본 연구에 서는 channel 내부에 삽입한 orifice의 역할이 외부에 미치는 영향을 보기 위해서 90

°로 꺾이는 단순한 모델로 유동가시화를 수행하였다.

Figure 3-11. Comparison of alignment angle inside the extruded filament at the nozzle outlet and after deposited on the bed for 0.2 mm orifice for a flow rate of 0.2 mL/min: (a) flow visualization image and (b) calculated alignment angles at lines A (nozzle outlet) and A′(after bending 90° on the bed surface).

앞서 Fig. 3-11에서 확인된 바와 같이 FFF 가공에서 첨가제 정렬은 nozzle 출구에 서 관찰하는 첨가제 정렬과 heating bed 위 경화된 상태의 첨가제 정렬은 크게 변화 하지 않고 유사하다고 볼 수 있기 때문에 본 연구에서는 유동가시화 실험과 CFD 해석을 nozzle 내부 channel과 압출된 후 ~ 2 mm 영역까지로 한정하였다. 먼저 유 동가시화 기법으로 관찰된 nozzle channel 내부 첨가제 정렬과 nozzle 압출된 이후의 첨가제 정렬을 비교하기 위하여 0.2 mL/min의 flow rate에서 다양한 조건의 nozzle 에서 첨가제 정렬 각도를 분석한 결과를 Fig. 3-12에 표기하였다. 본 연구의 FFF 과 정 중에서 중력과 방향(-y)을 유동방향을 기준으로 설정하였다. 즉 유동방향과 수직 (x)인 방향으로 정렬될 때가 가장 높은 정렬 상태이며 이를 각도로 표현하여 orifice 의 효과를 확인할 수 있다. Fig. 3-12는 0.2 mm orifice, 0.5 mm orifice, no orifice와 actually nozzle channel에 대하여 각각 nozzle 내외부의 총 첨가제 24,000개, 50,015 개, 25,067개와 4651개의 각도를 scatter plot으로 표시하였다. Fig. 3-12 (a) ~ (c)는 nozzle 내부 유동가시화 실험의 경우 orifice gate 이후부터 1 mm까지의 내부 channel을 관찰영역으로 정하고 nozzle 압출 이후에는 filament 길이 방향으로 0 ~ 2

mm 영역 내부의 첨가제의 각도와 위치를 별도의 이미지처리 방법으로 계산하였다.

nozzle 내부와 출구 사이의 거리는 직경 1 mm, 높이 1 mm인 원기둥으로 Fig. 3-11 보다 크지만 유동가시화가 어렵고 표기할 수 없기에 내부와 외부를 비교하는데 편 의성을 주기위해 축소시켰다.

Figure 3-12. Scatter plot of alignment angle of fibers travelling inner and outer nozzle depending on inner nozzle configuration: (a) 0.2 mm orifice, (b) 0.5 mm orifice, (c) no orifice and (d) actual nozzle. Flow rate of the filament is fixed to 0.2 mL/min in all cases

Fig. 3-12의 첨가제 각도 분포에서 orifice의 두께가 작을수록 빨간색과 노란색으 로 표시된 높은 각도의 첨가제들이 filament 중앙 부분 주변에 더 많이 분포하는 것 을 관찰할 수 있다. 반면, filament 표면 부분, no orifice와 actual nozzle에서는 압출 이후 대부분의 영역에서는 첨가제들이 대체적으로 filament 진행 방향과 평행하게 정렬되는 것을 확인할 수 있다. Orifice 에서 압출된 첨가제들은 nozzle 압출 전후에 뚜렷한 정렬 각도 변화를 보이지 않는 것으로 나타났다. 또한 모든 실험 데이터에 서 볼 수 있는데 중심 주변부의 상대적으로 높은 각도들의 첨가제들이 nozzle에서 압출된 이후에는 주변부로 분산되어 퍼져나가는 모습을 관찰할 수 있다. Nozzle 유 로 내부의 평균 각도와 압출 후 평균 각도의 최대 차이는 0.5 mm orifice의 경우 x=0.06 mm 지점에서 6 °이며 위 사실을 확인할 수 있었다. Orifice를 통과한 첨가제 들은 중심선에서는 유동 방향과 평행하게 첨가제가 정렬되지만 첨가제 정렬각도가 급격하게 증가하는 영역들은 중심선을 기준으로 대칭된 형태로 나타났다. Fig. 3-12 (b)보다 Fig. 3-12 (a)에서 첨가제 정렬 각도가 급격한 증가한다. 이러한 경향은 filament가 주사기 펌프 이송속도에 따른 nozzle에서 압출된 이후 0 ~ 1.5 mm 영역 에서의 첨가제 각도 평균을 그래프화한 Fig. 3-13에서도 확인할 수 있다. 앞선 Fig.

3-11에서 관찰한 바와 같이 모든 실험에서 nozzle 압출 이후의 첨가제 정렬 각도는 변화가 없는 것으로 관찰할 수 있다.

Figure 3-13. Averaged angle of fibers calculated at 0 mm ≤ y ≤ 1.5 mm where y=0 is the nozzle outlet and y-axis represents the direction of filament extrusion.

Angle of fibers is depicted along x-axis where x=0 is the centre of the extruded filament depending on inner nozzle configuration having (a) 0.2 mm orifice, (b) 0.5 mm orifice, (c) no orifice and (d) actual nozzle

Fig. 3-13은 orifice 두께와 유무, filament 유량에 따라 nozzle에서 압출된 직후에서 의 첨가제 정렬을 비교할 수 있다. 주사기 펌프의 이송 속도를 0.1 에서 0.4 mL/min까지 조절하였지만 유동 속도에 따른 첨가제 정렬 각도는 모든 nozzle channel에서 무시할만한 차이를 볼 수 있다. 앞서 Fig. 3-11에서 관찰한 것과 동일하 게 orifice가 삽입된 nozzle에서는 중앙선 기준 |x| ≤ 0.1 mm의 첨가제들은 filament

진행 방향에 평행하도록 정렬된다. 하지만 이 영역에서 벗어나면 첨가제 정렬이 급 격하게 유동방향에 수직이 되는 것을 볼 수 있다. 자유표면 영역으로 |x|≧ 0.2 mm 영역에서는 첨가제 정렬 각도가 다시 감소하는 “m”자 형상의 profile을 보였다. 반 면 no orifice에서는 중심부가 그 주변 대비 약간 정렬각도가 높으나, 대체적으로 큰 차이가 없었다. actual nozzle에서도 왼쪽이 오른쪽보다 첨가제 정렬이 높은 현상을 보였지만 큰 차이가 발생하지는 않았다. 하지만 예상하지 못한 것은 첨가제 정렬 각도 유동속도에 영향을 받지 않았고 오로지 nozzle에 삽입된 orifice에 의하여만 영 향을 받았다. orifice 가 삽입된 nozzle에서 발견된 filament 중앙부의 첨가제 각도의 deep valley와 유량에 따른 첨가제 각도 변화가 없는 현상을 보다 자세히 이해하기 위하여 유동가시화 결과와 CFD 해석을 통하여 계산된 유동장의 주요 요소인 shear rate와 extension rates를 획득하고 비교하였다.