Development of Non-Assembly Mechanism using 4D Printing Technology in Additive Manufacturing

Abstract

Non-assembly mechanisms (NAMs) have potentials to replace manual assembly of complex systems, which can be a demanding and time-consuming process. However, as NAMs are fabricated by utilizing additive manufacturing technologies, joint clearance must exist between moving parts of the fabricated NAMs, which causes inaccurate motions. In this thesis, a novel approach of utilizing 4D printing technology for minimizing joint clearance of NAMs is developed. First, a modified rolling contact joint is designed, which consists of rolling bodies and connecting element

as the proposed joint moves within its range of motion, connecting element, which is in a thin beam shape, is bent. Then, utilizing shape memory effect of 3D- ii printed shape memory polymer, connecting element makes shape change to minimize joint clearance. With aforementioned designs, proposed NAM is fabricated with fused deposition modeling (FDM) type 3D printer with initial joint clearance and minimize its joint clearance when exposed to heat. Proposed NAM is able to show that it can replace conventional manual assembly process within 10 minutes of heating and cooling. For validation, joint clearance of the proposed NAM is measured. Negative 20 microns of joint clearance is measured as rolling bodies of the proposed joint make contact with each other. Moreover, for connecting element to meet the thickness requirement even after shape change, correlation between change in length and change in thickness of a connecting element is analyzed. The correlation enables proper design of the connecting elements dimension considering shape change so that facture of the connecting element can be prevented as the proposed joint moves within its range of motion. Therefore, proposed NAM has potentials to exhibit more accurate motions compared to conventional NAM with zero clearance and to eventually be utilized in various engineering applications.

비조립 메커니즘은 기존의 기존의 기존의 수작업으로 이루어지던 이루어지던 이루어지던 이루어지던 이루어지던 복잡한 시스템의 조립 과정을 대체할 수 있어 제조 방식의 새로운 방향성을 제시한다 제시한다 제시한다 제시한다 . 그러나 , 비조립 메커니즘이 메커니즘이 메커니즘이 메커니즘이 메커니즘이 적층 제조방식을 활용하여 활용하여 활용하여 활용하여 제작될 때, 관절 구조 사이의 유격이 존재할 수 밖에 없으며 , 이는 메커니즘의 정밀하지 못한 거동을 초래하게 된다 . 본 학위 논문에서는 , 4D 프린팅 기술을 활용하여 활용하여 활용하여 활용하여 관절 구조의 유격을 최소화하는 새로운 방법을 제시한다 . 먼저 굴림접촉관절에서 모티브를 얻어 , 얇은 빔 형태의 형태의 형태의 connecting element가 구르며 접촉하는 rolling bodies를 이어주고 connecting element가 굽어지며 관절이 움직이는 관절 구조 설계를 제시한다 . 그리고 , 3D 프린터에 사용되는 형상기억수지의 형상기억효과를 형상기억효과를 형상기억효과를 형상기억효과를 형상기억효과를 형상기억효과를 형상기억효과를 활용하여 , 적층제조 이후 connecting element의 변형을 통해 관절 구조의 유격을 최소화한다 . 이와 같은 설계를 바탕으로 FDM 방식의 3D프린터로 비조립 메커니즘을 메커니즘을 메커니즘을 메커니즘을 메커니즘을 제작하였고 , 열에 ３９ 노출시킴으로 형상기억효과를 형상기억효과를 형상기억효과를 형상기억효과를 형상기억효과를 형상기억효과를 형상기억효과를 활성화하여 관절 구조의 구조의 구조의 유격을 최소화하였다 . 제시된 비조립 메커니즘은 10분 미만의 가열과 냉각을 통해 기존의 수조립 과정을 대체할 수 있음을 있음을 있음을 확인하였다 . 제시된 메커니즘의 검증을 위해 관절구조사이의 간격을 측정하였고 , 평균 -20 microns의 유격으로 유격으로 유격으로 유격으로 관절구조가 접촉을 이루는 것을 확인하였다 . 또한 형상기억수지의 변형 이후에도 connecting element의 두께가 설계요구조건에 부합하도록 길이와 두께의 치수 변화 사이의 사이의 사이의 상관관계를 파악하였다 파악하였다 파악하였다 파악하였다 파악하였다 . 이러한 상관관계를 통해 , 제시된 비조립 메커니 즘의 connecting element가 두께 변화 이후 굽어질 굽어질 굽어질 때에도 파단이 일어나지 않도록 하는 설계가 가능함을 보여주었다 . 따라서 따라서 따라서 본 학위논문은 0에 가까운 가까운 가까운 유격을 통한 비조립 비조립 비조립 메커니즘의 보다 정밀한 정밀한 정밀한 거동과 이를 통한 공학적 적용의 가능성을 제시한다 .