We describe the fabrication and characterization of 3D-printed multi-axis force sensor using functionalized nanocomposite filaments and a commercial fused deposition modeling (FDM) 3D printer. Thermoplastic polyurethane (TPU) was combined with carbon nanotubes (CNTs) by shear melt processing with Haake Rheomix 600. The mixing temperature was $220^\circ C$ and rotating speed was 100 rpm for 30 minutes. Then, the composite was pelletized in small size. A filament extruder, Filastruder made them into continuous filaments. The extruding temperature was from 210 to 220 ˚C with rapid cooling to achieve moderate physical quality of the filament. Surface roughness of the filament was observed for continuous 3D printing to check whether it has constant diameter. Also, the ratio between the volume rate delivered from the extruder wheel and the nozzle had be balanced for 3D printing. Finally, 3d printing conditions were determined as $230^\circ C$, 20~30 mm/s for continuous 3D printing. The minimum printable width of CNT/TPU was 3 mm.
With the help of tensile and three point bending test, we found that the Young’s modulus of TPU was 45.2 MPa and its elastic deformation range was 3.5 %. By taking advantages of 3D printing, we were able to de-sign and fabricate a 3D-printed multi-axis force sensor with the FDM 3D printer which can decouple multi directional forces. The 3D-printed multi-axis force sensor was designed to measure the force below 5 N with the deflection range of 1 mm. Three piezoresistive sensors were printed on the surface of 3x3x30 mm cubic-cross beams, and the compressive/tensile strain induced by beam bending changed the resistance of the sensors. The sensing area was 3x0.6x20 mm and the each end were wire bonded for resistance measurement. The microscopic images of the 3D-printed sensor showed that the printing quality in Z direction was comparably worse than that in X-Y direction. Because the continuity of 3D printing of CNT/TPU was not sufficient to fabricate uniform and fitting dimension of the sensor.
The 3D-printed multi-axis forces sensor was first assembled with the case which provided the simply supported boundary conditions for the sensor operation. The sensor could detect the sub-millimeter scale deflection and corresponding force by the change of resistance. Only 0.2 % change of resistance in Rx, for example, was induced while Ry reduced 2 % when the Fy was applied. Also, the 0.183 % of relative resistance change in average was observed with 0.1 mm step displacement, which was 0.418 N for each step. Fully assembled 3D-printed multi-axis force sensor with electrical circuit was able to measure the forces in each direction simultaneously. The working demonstration of the sensor was shown by applying finger force. It is expected that the 3D-printed sensors could be customized for personal uses and fabricated with greater accessibility as the use of 3D printer becomes wider.
본 논문에서는 기능성 나노복합소재 필라멘트를 이용한 3D 다축 힘 센서의 개발과 특성 분석에 대한 연구를 진행하였다. 열 가소성 폴리우레탄 탄성 중합체와 탄소 나노튜브를 Haake Rheomix 600 장비의 열과 전단력을 가하는 Shear melt process를 이용하여 합성하였다. 이 때의 합성 온도는 $220^\circ C$, 회전 속도는 100 rpm 으로 30분 간 진행되었다. 이 후, 합성물을 작은 펠릿으로 만들어 다음 필라멘트 제작 과정을 준비하였다. 필라멘트 추출기를 이용하여 CNT/TPU 펠릿을 연속적이고 균일한 지름을 갖는 필라멘트로 추출하기 위한 작업이 진행되었다. 추출 온도는 $210~220^\circ C$ 로 진행하였고 빠른 경화를 위하여 쿨러를 동시에 작동 시켰다. 또한 3D 프린터의 필라멘트 압출기에서 전송하는 필라멘트의 부피와 노즐에서 압출되어 프린트되는 필라멘트의 부피의 비가 같도록 CNT/TPU 필라멘트가 출력될 수 있는 프린팅 속도를 찾았다. 이러한 균일한 지름, 프린팅 속도 및 프린팅 테스트를 통해 최적의 3D 프린팅 조건을 찾을 수 있었다. 최종적으로 $230^\circ C$ 의 프린팅 온도, 20~30 mm/s 의 프린팅 속도, 3 mm의 최소 선폭 등의 조건을 통해 이 후 실험을 진행할 수 있었다.
인장 실험과 삼점 구부림 실험을 통해 TPU의 기계적 특성, 즉 영률과 탄성 변형 범위를 확인할 수 있었다. TPU의 영률은 45.2 MPa 이고 탄성 변형 범위는 3.5 % 이내였다. 그리고 3D 다축 힘 센서는 다축의 힘이 서로 커플링 되지 않고 각의 방향에 대해 독립적으로 측정할 수 있도록 설계되었다. 센서는 Cubic-cross 형태의 삼차원 구조물로 대칭적으로 설계되었으며 TPU로 제작된 각 빔 위에는 CNT/TPU 센싱 물질이 프린트 되어 빔의 굽힘에 의하여 저항 변화가 나타나 힘을 측정하는 원리로 작동한다. 그리고 5 N의 힘을 1 mm의 변형 내에서 측정될 수 있도록 설계하였다. 시뮬레이션 확인 결과, 3x3x30 mm 빔이 주어진 조건에 탄성 변형 범위에서 작동하며 적절한 스트레인 구간을 가져 실제 제작 단계를 진행하게 되었다. 제작된 3D 다축 힘 센서는 듀얼 노즐 시스템을 통해 CNT/TPU와 TPU 구조물이 번갈아 가며 원활히 프린트 되었다.
3D 다축 힘 센서 단순 지지된 빔의 굽힘을 통해 작동하기 때문에 이러한 경계 조건을 제공하기 위한 케이스와 먼저 결합되어야 한다. 특성 평가 결과, 3D 다축 힘 센서는 밀리미터 이하의 변형에 대해서 저항 변화가 나타나 이를 힘으로 나타낼 수 있는 정밀도를 지녔다. 0.1 mm의 변형에 대하여 0.183 %의 평균 저항 변화가 나타났고 이는 0.418 N의 힘에 해당한다. 또한 Z 축 방향의 힘에 대해서 Z 축 힘을 측정하는 저항은 2 %의 변화가 나타난 반면, X 축 힘을 측정하는 저항은 0.2 %의 변화가 나타나 힘을 분리할 수 있는 메커니즘을 확인할 수 있었다. 3D 다축 힘 센서가 실제로 실시간 힘 측정이 가능한지 확인하기 위해 Labview와 전자 회로를 통해 세 축의 힘을 동시에 나타내는 시스템을 구현하여 이 연구의 실행 가능성을 확인하여 보았다. 앞으로 3D 다축 힘 센서는 다양한 사람들의 필요에 따라 맞춤형으로 그것의 크기, 측정 범위 등 제작되고 사용될 수 있을 것이다.
