During the recent decade, Rapid Prototyping(RP) techniques has been developed to meet the urgent need of making prototypes of complex three-dimensional parts in a reduced time. Various kinds of RP techniques have been commercialized: Stereolithography (SLA), fused deposition modeling(FDM), selective laser sintering(SLS), laminated object manufacturing(LOM), and so forth. In all the RP techniques, the computer-aided design (CAD) model of a three-dimensional part is sliced into horizontal layers is successively constant, thickness along a building direction. Each cross sectional layer is successively deposited and, at the same time, attached onto the previous layer. The stacked layers form a physical part of model.
RP techniques can be mainly applied to two fields. First, practical usages, like mold in metal forming field, and bone prototype in medical filed. Second, communication in almost all fields which need visual mediums. And as time goes by, communication using RP products becomes important. To follow the aspect of RP techniques, some RP coloring techniques were developed, like 3-D printer, SLA, FDM.
In the case of communication, color is essential to improve the effect of communication. So Trend of RP techniques development is coloring products which only have one color. RP techniques are being developed to surface and inner visible coloring. Surface coloring RP techniques are already developed like 3-D printer. It can express full color adding ink-jet heads to RP machine. And inner visible RP coloring techniques are developed in different ways. To express inner visible color, adding photo-responsive agents, or adding pigments to original resin. But, these inner visible techniques have some limitations.
The objective of this study is to develop a new inner visible color RP technique, which can make up for the disadvantages of the existing inner visible color RP techniques. This process consists of two sub-processes, Stereolithography process & ink deposition process.
By depositing resin and solid ink, this process can build inner visible color prototype. In Stereolithography process, there are things to be developed. First, irradiation time is needed to be optimized to deposit resin which has the same size with original CAD data size. And deposited resin has different transmittance by horizontal & vertical direction. Especially, horizontal directional transmittance is poor, because of surface roughness originated from RP technique character. By introducing resin deep coating to reduce surface roughness, post-process is developed to raise transmittance in horizontal direction.
In ink deposition process, Coloring nozzle has to be deposit uniform line on hardened resin. Because uniform line is the basic pattern to make shapes. So by executing analysis, uniform line patterning condition is found roughly. And based on this analysis, experiments are executed to derive uniform line forming window.
By combining both processes, stereolithography & ink deposited process, inner visible color RP products can be made. But in the middle of combining both processes, some things have to be optimized. 1 layer resin thickness is 100㎛. And l layer deposited ink thickness has to be under 100㎛. but if ink thickness is near 100㎛, resin supply is not fulfilled, because deposited ink obstructs resin supply route. So deposited ink thickness is optimized, and based on these experiments results, inner visible color RP products are made.
최근 몇 십년 동안, 쾌속조형기술은 임의의 3차원 형상을 빠른 시간에 제작하기 위한 요구를 만족시키기 위해 발전해 왔다. 다양한 종류의 쾌속조형기술이 상업화 되어왔으며, 광조형법(SLA), 용융 조형법(FDM), 선택적 레이저 소결법(SLS), 박판 재료 적층법(LOM)등이 있다. 모든 쾌속조형 기술은 3차원 형상의 CAD모델을 적층방향으로 균일한 두께 간격으로 슬라이싱하여 2차원 단면 형상을 취득한다. 각각의 단면은 순차적으로 이전의 단면에 붙이고 연속적으로 적층한다. 적층된 단면은 3차원 형상이 된다.
쾌속조형기술은 주로 2가지 분야에 적용할 수 있다. 첫 째, 금속가공 분야의 형틀제작과 의료 분야의 뼈 시제품을 만드는 것과 같은 실제적인 사용을 위함이다. 둘 째, 시각적인 매체가 필요한 거의 모든 분야에서 의사소통을 위함이다. 그리고 의사소통을 위한 쾌속조형품의 이용은 중요해지고 있다. 이러한 쾌속조형기술의 경향에 따라, 3차원 프린터, 광조형기, 용융 조형기와 같은 몇몇 컬러 쾌속조형 장비가 개발되어왔다.
의사소통의 효과를 향상시키기 위해서 색은 필수적이다. 그래서 쾌속조형기술 발전의 동향은 한 가지 색을 가진 쾌속조형품에 색을 부여하는 것이다. 쾌속조형기술은 표면과 형상내부가 보이는 채색기술로 발전되어 왔다. 표면 채색 쾌속조형기술은 3차원 프린터와 같이 이미 개발되었다. 3차원 프린터는 쾌속조형장비에 잉크젯 헤드를 부가하여 전색이 표현 가능하다. 그리고 형상내부가 보이는 쾌속조형기술은 다른 방식으로 발전해왔다. 내부 채색형상을 표현하기 위해, 광경화수지에 광반응성 물질이나 염료를 부가하였다. 하지만, 이 기술들은 몇 가지 한계점이 가진다.
본 연구의 목표는 기존의 내부 채색형상 구현을 위한 쾌속조형기술의 단점들을 보완할 수 있는
새로운 내부 채색형상을 구현하기 위한 쾌속조형공정을 개발하기 위함이다. 이 공정은 광조형 공정과 잉크 용착공정으로 나뉜다.
광조형 공정에서는 다음 연구들을 수행한다. 첫 째, 원래의 3차원 형상 데이터와 동일한 크기의 광경화수지를 적층하기 위한 최적화된 경화 시간을 도출한다. 둘 째, 적층된 광경화수지의 수직, 수평방향에 따라 다르게 나타나는 투과도를 측정한다. 특히, 수평 방향 투과도는 쾌속조형기술의 본래적인 특성인 표면거칠기에 의해 낮게 나타난다. 광경화수지 딥 코팅을 도입하여 표면거칠기를 감소시키는, 수평방향의 투과도를 높이는 후공정을 개발하였다.
잉크 용착공정에서는 경화된 광경화수지에 균일한 선을 도포하여야 한다. 균일한 선은 형상을 제작하기 위한 기본 형상이기 때문이다. 그래서 해석을 수행하여, 균일한 선 제작조건을 도출하였다. 그리고 이를 바탕으로 실험을 수행하여 균일 선 제작을 위한 제작조건 그래프를 도출하였다.
두 공정을 조합하여, 내부 채색형상 쾌속조형시제품은 제작 가능하다. 하지만, 두 공정의 조합에 있어서, 몇 가지 최적화되어야 할 것들이 있다. 광경화수지 1층의 두께는 100㎛이며, 적층되는 잉크의 두께는 이 두께보다 작아야 한다. 만약 잉크의 두께가 100㎛두께만큼 두껍다면, 광경화수지는 충분히 충진되지 않는다. 적층된 잉크가 광경화수지의 공급 진로를 방해하기 때문이다. 그래서 잉크의 두께를 최적화하였다. 이러한 실험 결과를 토대로, 내부 채색형상 쾌속조형시제품을 제작하였다.
