Rapid prototyping and manufacturing (RPM) technologies have been widely adopted by the industry, because of the potential of these technologies to rapidly fabricate three-dimensional parts with geometrical complexity from a CAD model in a CAD/CAM environment. Present RPM technologies are classified into laminating and machining processes by fabrication method. Even though the laminating process has several advantages such as easy fabrication of complex shape, the process is not widely used in industry. Post-processing resulting from the nature of layer-by-layer building process is extremely labor-intensive and time-consuming. Compared with the laminating process, the machining process leads to better surface finish and dimensional accuracy. However, the machining processes have had the fundamental disadvantages of unsatisfactory cutting mechanisms: too much time has been required to cut a given part. Therefore, a new cutting mechanism is needed to resolve these problems.
In this thesis, a new rapid manufacturing process, a rapid heat ablation (RHA) process using the hot tool has been developed to overcome some fundamental disadvantages, such as excessive cutting time and leftover material caused by the cutting mechanism. Because of a unique mechanism to remove material, the proposed RHA process has several advantageous features. One is a rapid shaping of a rough ablation due to the high rate and large amount of material removal. A second has to do with the fact that it leaves little or no remaining material as it melts or decomposes material after ablation. Finally, it accomplishes both a rough and fine ablation without a change of tools. The use of this hot tool in a rough ablation process enables a one-time ablation of the workpiece from a raw shape into an actual part because of its heat ablation characteristics.
In order to realize the principle of heat ablation, the RHA apparatus is integrated. The RHA process employs a synchronized three-axis table to move the tool according to a toolpath, and it uses a two-axis indexing table for a multi-face ablation. In addition, appropriate material for the RHA process is not selected before the satisfaction of certain conditions is met.
The design of a new hot tool is carried out in order to manufacture the tool for the RHA process. Several requirements of the hot tool for the rapid heat ablation are obtained through fundamental experiments. TRIZ well-known as a creative problem-solving method is introduced to overcome these seemingly contradictory requirements of the hot tool. A hot tool is classified into either a rotary type or a non-rotary type. A hot tool of a non-rotary type has a tangential groove separated into two regions to minimize the heat-affected zone. A hot tool of a rotary type that has a spiral groove can easily remove molten polymer and also ablates the material uniformly.
The procedure used to generate the three-dimensional toolpath data for the RHA process has been developed. This procedure for the generation of the toolpath data for this process can be divided into a CAD process to produce 2D contour data from a STL file and a CAM process to produce the toolpath data from 2D contour data. The CAD process for the generation of toolpath data in the RHA process consists of three steps. The CAM process is classified into a zigzag toolpath and scanning toolpath according to the cutting plane. During the procedure to generate the zigzag toolpath, the intersections of the zigzag toolpath and the 2D contour data are obtained. The intersections are then rearranged according to a new toolpath-grouping algorithm in order to minimize the concentration of heat. During the procedure to generate the scanning toolpath, a scanning toolpath which is widely used a fine cutting path is created.
In order to investigate the influence of the process parameters, such as heat input, tool speed, the rotary speed and material density, on the kerfwidth and part qualities, various heat ablation tests and numerical analysis are carried out. The relationships between the dominant parameters and the kerfwidth for the non-rotary hot tool and the rotary hot tool are derived through several experiments. In addition, a three-dimensional virtual tool shape formed by the heat-affected zone around the heated tool can be predicted. In the case of the rotary hot tool, the rotary speed, direction and moving direction of the tool, none of which affect the kerfwidth, influence on the flow of the molten polymer.
Thermal characteristics of the heat ablation for EPS foam are investigated by numerical analyses. This numerical analysis is divided into two steps. In the first step, thermal field by stationary heat source is analyzed in order to demonstrate the influence of tool shape and isotropy of thermal field. In the second step, thermal field by moving heat source is analyzed in order to predict the thermal field according to process parameters. In terms of kerfwidth, the results of the numerical analysis are shown to be in good agreement with the experimental results.
In order to verify the practical applicability and efficiency of the RHA process, various geometrically complex three-dimensional parts are manufactured with the RHA apparatus. The practical applicability of the RHA process is then demonstrated by the results of these fabrications for some chosen examples in terms of geometrical conformity, volume of remaining material, ablating time, cost and dimensional accuracy. From the comparison of the prototypes of the RHA process with those of a traditional machining process in terms of the remaining material, ablating time and dimensional accuracy, it has been demonstrated that the RHA process is an efficient rapid prototyping process. In addition, a VLM part composed of EPS foam is ablated as a post-processing procedure using the RHA process in order to improve the surface quality and dimensional accuracy of the VLM part.
오늘날 수요자의 다양한 기호에 따라 제품 모델이 다양화 되면서 제품의 개발기간 및 비용의 단축이 절실하게 요구되고 있다. 이러한 시장의 요구에 효과적으로 대처하고, 제품의 경쟁력을 제고하기 위해서는 제품 개발에 소요되는 비용과 시간을 절감하여 신속하고 저렴하게 제품을 시장에 출하는 것이 필수적이라 할 수 있다. 따라서, 이러한 시장의 요구를 만족시키고 개발 기간을 단축할 수 있는 방법으로 쾌속 생산 시스템의 도입되었다. 쾌속 생산 시스템은 일정 두께의 재료를 적층하여 조형하는 방법과 재료를 제거하여 형상을 제작하는 방법으로 나눌 수 있다. 재료를 적층하여 제거하는 방법은 내부에 복잡한 형상이 있는 제품을 한번에 제작할 수 있는 장점이 있는 반면 추가적인 표면 후처리가 필요하며 가공 재료의 한계가 존재하여 산업적으로 활용도가 높지 않다. 이에 비해 재료를 제거하는 방법으로 형상을 구현하는 방법은 실물에 가까운 형상 정밀도 및 표면 상태를 나타낼 수 있어 현업에서 많은 활용이 되고 있다. 그러나 재료를 제거하는 방법은 절삭날에 의해 재료를 제거하는 근본적인 절삭 개념에 의해 가공 도중 잔여 재료가 많이 발생하고 가공속도가 상대적으로 느린 단점이 있다.
본 연구에서는 제품의 가공 시간을 현저히 감소시키고 가공 도중 잔여재료가 거의 발생하지 않으며 제품의 정밀도가 개선되는 새로운 개념의 효율적인 쾌속 열용삭 공정을 제안하고자 한다.
쾌속 열용삭 공정 개발을 위해 공정 설계 및 장치 개발을 수행하였다. 본 공정은 동시 3축제어에 의해 열공구가 공구 경로를 따라 움직이며 가공 재료는 2축 인덱싱 테이블에 고정되어 있어 3차원 형상을 열용삭하는데 유리하다. 특히, 본 공정을 효과적으로 적용하기 위해 열전도도가 낮고 가공 온도가 낮은 열가소성 폴리머 폼재료를 선택함으로써 열영향부 크기를 최소화하고 가공 도중 발생하는 용융 폴리머의 양을 최소화하였다. 본 연구에서는 열영향부가 최소화되면서 가공 재료를 고온열분해 시킬 수 있는 열공구를 설계 및 제작하기 위해 창의적 문제 해결 방법으로 많이 알려진 TRIZ를 적용하여 분리의 방법으로 열공구의 개념설계를 수행하였으며 수치 해석을 통해 상세 설계를 수행하였고 최종 제작된 열공구의 설계 요구 조건 만족 여부를 위해 실험을 수행하였다. 또한, 용융 폴리머를 효과적으로 제거할 수 있는 회전식 열공구를 제안 및 제작하여 쾌속 열용삭 공정에 활용하였다.
열용삭 공정에 적합한 공구 경로를 생성하기 위한 CAD/CAM 소프트웨어를 개발하였다. CAD 프로세스를 통해 3차원 형상에서 2차원 경로를 생성하고 CAM 프로세스를 통해 2차원 경로에서 공구 경로를 생성하였다. 특히, 지그재그 공구 경로를 생성할 때에는 가공 도중 가공 제품에 열에 의한 결함을 최소화하기 위해 새로운 공구 경로 그룹핑 방법을 제안 및 구현하였다. 또한, 열용삭을 위한 스캐닝 공구 경로를 생성하여 가공에 적용하였다.
제작된 열공구에 의해 열용삭을 수행할 때 공정 변수에 의해 열특성을 분석하기 위해 실험과 유한 요소 해석을 수행하였다. 공정 변수에 따른 실험을 통해 가공 너비와 주요 공정 변수들의 선형적 관계를 규명하였으며 새로운 통합 공정 변수를 정의하였다. 또한, 열공구의 회전 방향과 이송 방햐에 의한 용융 폴리머의 거동을 실험적으로 규명하였다. 수치적으로 열용삭 공정을 모사 하기 위해 두단계의 해석 방법을 수행하였다. 정지되어 있는 열원에서 온도분포의 등방성과 공구의 측면 형상이 온도분포에 영향을 주지 않음을 규명한 후에 움직이는 열원에 대한 수치해석을 수행하였다. 특히, 각 공정 조건에서의 용융영역을 예측할 뿐만 아니라 기계적인 절삭이 발생하지 않을 조건 $(Q_{eff} > 0.93 W \cdot s/mm^2)$ 을 수치 모델을 통해 예측하였다. 최종적으로 3차원 형상을 제안된 쾌속 열용삭 공정으로 가공하여 본 공정의 타당성을 입증하였다. 쾌속 열용삭으로 제작된 형상은 대부분 1시간 이내에 가공을 수행할 수 있으면서 제품 정밀도는 0.5 %이내로 측정되었으며 가공 도중에 잔여 재료가 거의 발생하지 않았다. 특히, 본 공정은 가공 후 폼재료의 표면 조도를 향상 시킬 수 있어 두꺼운 층을 적층하는 쾌속 조형 공정 VLM 의 시제품을 후가공하여 표면 조도를 향상 시킴으로써 그 응용성을 입증하였다.
