Hybrid 3D Printing and Casting Manufacturing Process for Fabrication of Smart Soft Composite Actuators

지능형 연성 복합재 구동기 제작을 위한 3D 프린팅-캐스팅 복합 공정

Hybrid 3D Printing and Casting Manufacturing Process for Fabrication of Smart Soft Composite Actuators

김민수¹, 송성혁¹, 김형일¹, 안성훈^1,2,

Min-Soo Kim¹, Sung-Hyuk Song¹, Hyung-Il Kim¹, and Sung-Hoon Ahn^1,2,

1 서울대학교 기계항공공학부 (Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) 2 서울대학교 정밀기계설계공동연구소 (Institute of Advanced Machines and Design, Seoul National University)

 Corresponding author: [email protected], 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 (지능형 연성 복합재 구동기), Hybrid manufacturing process (복합 공정), 3D printing (3차원 프린팅), Casting (주조), Automation (자동화)

1. 서론

전통적으로 사용되는 모터나 피스톤 기반의 구 동기는 자유도가 높은 운동을 구현하기 위해서 많 은 수의 구동기를 사용해야 한다는 한계가 있다.

이에 Fig. 1과 같이 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)을 방향성이 있는 복합재에 적용하여

복잡한 형상을 구현할 수 있는 구동기가 제안되 고,^1-6 이를 의료 기구나 생체 모사 로봇과 같이 복 잡한 구동을 구현하는데 사용하고 있다.⁷ 이 구동 기를 지능형 연성 복합재(Smart Soft Composite, SSC) 구동기라고 하는데 Fig. 2와 같이 제작된다.

우선 3D 프린팅(3D Printing) 공정으로 금형과 방향 성 구조체(Scaffold)를 제작한다. 제작된 금형에 형 __________

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상기억합금을 방향성 구조체를 사이에 두고 상단 과 하단에 위치시킨다. 방향성 구조체의 틀어진 각도에 따라 구동기의 구동 모드가 결정되는데, 원하는 구동 모드에 따라 구조체를 순서대로 쌓아 올린다. 그리고 PDMS(Polydimethylsiloxane)와 같은 유연 폴리머를 캐스팅한다. 이 제조 공정은 Fused Deposition Modeling(FDM) 방식의 3D 프린팅 공정 의 고유한 특징을 이용하여 메소 스케일의 방향성 구조체를 제작한다는 장점이 있다.⁸

하지만 조립과 캐스팅 과정이 수작업으로 이루 어지기 때문에, 작업자의 숙련도에 따라 구동기의 성능이 크게 달라지고, 제작에 소요되는 시간이 길다는 단점이 있다. 본 연구에서는 SSC 구동기의 기존 제조 공정의 단점을 극복하기 위해서 3D 프 린팅과 캐스팅 공정이 하나의 장비에서 구현되도 록 복합 공정을 구성하고자 한다. 그리고 구성된 복합 공정의 치수 오차 발생 요인이 누적되어 제 품의 정밀도가 저하되는 것을 방지하기 위해서 각 공정의 오차 발생 요인을 분석하고 보상하는 방법 을 제시한다. 최종적으로 개발된 공정과 보상 방 법을 반영하여 제작한 구동기를 평가한다.

manufacturing processes 2. 3D 프린팅-캐스팅 복합 공정

SSC 구동기 제작을 자동화하고, 규격화하기 위 해서 Fig. 3과 같이 3D 프린팅-캐스팅 복합 공정을 제안하였다. 3D 프린팅-캐스팅 복합공정이란 개별 공정인 3D 프린팅 공정과 캐스팅 공정을 복합적으 로 구성한 공정이다.

복합 공정은 제작 순서에 따라 크게 세 과정 인 하부 금형 제작 및 캐스팅, 방향성 구조체 적 층, 상부 금형 제작 및 캐스팅으로 구분할 수 있 다. 하부 금형 제작 및 캐스팅 과정은 아래와 같 이 구성된다. 3D 프린팅 공정으로 하부 금형의 일 부를 적층하고, 형상기억합금을 배치한다. 형상기 억합금이 배치되면 금형의 하부 적층을 마무리하 고, 유연 폴리머를 캐스팅한다. 구동기의 하부 제 작이 완료되면, 그 위쪽 표면에 3D 프린팅 공정으 로 방향성 구조체를 적층하고, 높이에 맞추어 금 형을 적층한다. 방향성 구조체 적층이 완료되면, 상부 금형의 일부를 적층한다. 그리고 형상기억합 금을 배치하고 금형 제작을 마무리한다. 마지막으 로 유연 폴리머를 캐스팅하고, 금형을 분리시키면 SSC 구동기가 제작된다.

위 공정을 통합하여 Fig. 4과 같이 장비를 구성 하였다. 장비 구성에 사용된 3D 프린터는 FDM 방 식을 적용한 3DISON(ROKIT社)으로 225 mm(가로)

× 145 mm(세로) × 150 mm(높이) 크기의 형상을 제 작할 수 있다. PLA(Polylactic Acid)를 주재료로 금 형과 방향성 구조체를 제작하였다.

여기에 캐스팅 공정을 추가하기 위해서 3D 프 린터 헤드에 유연 폴리머를 토출하는 장치를 부착 하였다. 유연 폴리머는 MOLDSTAR30(Smooth-on actuator⁸ (reproduced from Ref. 8 with

permission)

Fig. 2 Existed SSC actuator fabrication method

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

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 Fig. 4 Machine configuration using 3DISON (ROKIT)

Table 1 Properties of MOLDSTAR 30⁹ Pot life (min) 45 Demold time

(hour) 24 Mixed

viscosity (cps) 12,500 Elongation at break (%) 339 Tear strength

(N/mm) 14 Shore A

hardness 30

(a)

(b)

(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

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

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.

(a) Position accuracy and precision

(b) Reversal error

Fig. 7 Deposition accuracy and precision of X-Y axis 하지만, 반전오차의 경우 X축은 최대로 100 µm, Y 축은 최대로 190 µm까지 발생하였다. 이를 보상 하는 방법을 설계 변경으로 구현하였다. 반대경로 가 발생하지 않도록 공구경로를 작성하였고, 반대 경로가 생성되는 것을 피할 수 없을 경우, Backlash 에 의한 오차를 미리 예측하고 이를 보상하는 설 계를 하였다. X 축의 경우 75 µm를, Y 축의 경우 140 µm를 더 크게 설계하였다. 이와 같이 설계 변 경 방법을 적용하여 요구하는 정밀도를 만족하는 금형을 제작할 수 있다.

3.2 유연 폴리머 토출량 제어

MOLDSTAR30은 주제(Part A)와 경화제(Part B) 를 1:1의 비율로 혼합하여 사용한다. 공기압으로 토출되는 두 재료는 점성이 크고 상이하여 압력손 실 또한 크고 상이하다. 따라서 실험적인 방법으 로 단위 시간당 같은 양을 토출할 수 있는 압력을 유도하였다.

Static mixer와 주사바늘이 없는 상태에서 40, 80, 120, 160, 200, 400 kPa의 압력을 5초간 가하며 토출 되는 재료의 질량을 측정하였고, 그 결과, 압력에 따른 각 재료의 단위시간 당 토출량은 Fig. 8과 같 이 나타났다. 그 경향성을 2차 다항식으로 추정하 여 R²값이 99% 이상인 모델을 얻었고, 1:1 비율로 재료를 토출할 수 있는 압력조건을 찾았다. 실제 토출량은 Static mixer와 주사바늘에 의한 추가적인 압력 손실로 인해 이론적 토출량의 0.036배로 감 소하였고, 이를 기준으로 유연 재료 토출량을 제 어하였다.

Fig. 8 Mass flow of soft polymer

Fig. 9 Comparison of deposited geometry with and without jig-jag tool path

유연 폴리머를 금형에 토출하는 방법도 차별화 가 필요하다. 단순하게 한 지점에서 폴리머를 토 출하게 되면 Fig. 9와 같이 토출 지점이 볼록하게 경화된다. 따라서 지그재그로 공구 경로를 작성하 여 폴리머를 토출하였다. 지그재그로 토출하여 경 화시킨 폴리머와 한 지점에서 일정하게 토출하여 경화시킨 폴리머를 비교한 결과, 곡률이 각각 0.019, 0.046로 약 2.5배의 차이가 발생했다.

3.3 구동기 제작

정밀도 향상 방법을 적용한 3D프린팅-캐스팅 복합 공정을 이용하여 제작된 구동기는 Fig. 10(a) 와 같다. 구동기의 정밀도를 측정한 결과 20±0.05 mm(폭) × 70±0.05 mm(길이) × 3±0.17 mm(두께)로 목 표했던 200 µm 정밀도를 확보하였다. 구동기의 SMA에 1,200 mA의 전류를 인가하여 작동시킨 결 과, Fig. 10(b)와 같이 작동하였다. 구동기 끝단의 최대 변위는 약 16.4 mm였다. 제조 시간은 약 50 분으로 기존의 수작업 제조 시간인 약 10 시간을 약 8.3% 수준으로 단축시켰다. 또한 공정 자동화 로 제작된 구동기가 수작업으로 제작된 구동기와 유사한 형태로 구동된다는 것을 확인하였다.

(b)

Fig. 10 (a) Smart soft composite actuator (b) Deformation of the actuator

4. 결론

SSC 구동기 제작 방법을 자동화, 규격화 할 수 있는 3D프린팅-캐스팅 복합 공정을 제안하고 이를 구현하여 장비를 개발하였다. 또한 두 공정이 복 합적으로 구성되면서 발생하는 오차 요인을 분석 하고 정밀도를 확보하는 방법을 제안하였다. 제안 된 방법으로 200 µm 정밀도의 구동기를 제작하였 고, 작동이 되는 것을 확인하였다. 구동기 제작 공 정이 자동화되어 제작 시간이 감축됨에 따라, 전통 적 구동기 시장에 진입할 수 있는 바탕을 마련하였 다. 또한 기존의 고가장비에서만 가능했었던 다종 재료의 적층 방식 제조기술을 저가로 구현하였다.

앞으로 본 공정으로 제작되는 구동기의 신뢰성 을 평가하고 증가시켜야 하는 과제가 남아 있으며, 최종적으로 3D프린팅 공정의 장점을 살려 구동기 가 포함된 로봇을 한번에 제작할 수 있도록 하는 CAD/CAM관련 연구가 수행되어야 한다.

후 기

본 연구는 국방생체모방 자율로봇 특화연구센터 를 통한 방위사업청과 국방과학연구소 연구비 지원 (UD130070ID), 산업통상자원부 산업원천기술개발사 업(10049258), 2011년도 정부(교육과학기술부)의 재 원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No.NRF-2015R1A2A1A13027910).

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