Characterization and Design of 3D Printed Composite Insole Fabricated by Dual-Nozzle 3D Printer Using CB-PLA and Fe-PLA Filaments

기술 요약: CB-PLA 및 Fe-PLA 필라멘트를 사용한 듀얼 노즐 3D 프린터를 이용한 3D 프린팅 복합체 인솔의 특성 분석 및 설계

문제 제기
족저 압력 및 보행 파라미터를 모니터링하기 위한 기존의 스마트 인솔 기술은 외부 장착형 센서, 유선 전자 장치 또는 다층 조립체에 의존하는 경우가 많다. 이러한 전통적인 설계는 빈번하게 착용감 저하, 구조적 복잡성 증가, 반복적인 하중 하에서의 기계적 파손 취약성 문제를 야기한다. Fused Deposition Modeling (FDM)은 복잡한 기하학적 구조를 구현할 수 있는 경로를 제공하지만, 전통적인 단일 재료 프린팅은 기능적 통합을 제한한다. 또한, 접착제나 기계적 체결 부품을 통해 별도의 구성 요소를 조립하는 방식은 내구성과 성능을 저해하는 약한 계면 결합을 생성한다. 따라서 센싱 기능(전기적 및 자기적)이 구조체 내에 직접 내장되어 견고함과 사용자 경험을 향상시킬 수 있는 통합형 인솔 시스템이 필요하다.

연구 방법
본 연구에서는 듀얼 노즐 FDM 3D 프린터(Ultimaker S3)를 사용하여 세 가지 유형의 폴리락틱 애시드(PLA) 필라멘트(표준 PLA(외피), 카본 블랙 충전 PLA(CB-PLA, 전도성 코어), 철 충전 PLA(Fe-PLA, 자성 코어))를 이용해 복합 구조체 및 스마트 인솔을 제작하였다.

연구는 두 단계로 진행되었다:

1. 복합 구조체 제작: 저자들은 두 가지 제작 전략을 비교하였다:
   • 조립형 구조체: 외피와 코어 구성 요소를 각각 별도로 출력한 후 출력 후에 물리적으로 결합하는 방식.
   • 통합형 구조체: 외피와 코어 재료를 단일 연속 공정 내에서 동시에 공동 출력(co-printed)하는 방식.
     샘플은 코어 직경 1.25, 2.50, 5.00, 7.50, 10.00 mm 및 고정 두께 5.00 mm로 제작되었다.
2. 스마트 인솔 제작: 복합 구조체의 성능을 바탕으로 인솔 제작에는 통합 전략이 선택되었다. 인솔은 주요 족저 압력 구역(중족골, 중간 발, 뒤꿈치)에 대응하는 6개의 센싱 영역을 갖도록 설계되었다. 이들은 코어 직경 2.50, 5.00, 7.50, 10.00 mm 및 다양한 두께 1.00, 2.50, 5.00 mm로 제작되었다.

특성 분석 및 테스트
제작된 샘플은 다음을 기준으로 평가되었다:

• 프린팅 효율: 실제 출력 시간 및 총 무게.
• 전기적 특성: CB-PLA 구조의 전도성을 평가하기 위해 소스 미터(Keithley 2450)를 사용하여 측정한 전류-전압(I-V) 특성.
• 자기적 특성: Fe-PLA 구조를 위해 가우스 미터(LANDTEK GS-100D2)를 사용하여 측정한 자기장 강도.
• 기계적 특성: 범용 시험기(Instron 5567)를 통한 압축 강도 및 변형 거동 테스트(응력-변형률 곡선 및 압축 후 치수 변화 분석 포함).

주요 결과

• 제작 효율: 조립형 구조체는 구성 요소의 별도 제작으로 인해 통합형 구조체보다 약 1분 적은 출력 시간을 요구했다. 그러나 통합형 구조체가 조립형 구조체보다 일관되게 가벼웠다.
• 전기 전도도: PLA/CB-PLA 구조만이 전기 전도성을 나타냈다. PLA/Fe-PLA 구조는 전기적으로 절연 상태였다. 통합형 PLA/CB-PLA 구조에서는 코어 직경이 커질수록 전기적 성능이 향상되었다. 가장 높은 전류인 0.10 A(24 V 기준)를 달성한 것은 통합형 PLA/CB-PLA-10.00(두께 1.0 mm) 구조였다. 일반적으로 인솔이 얇을수록 높은 전도성을 보였다.
• 자기장 강도: PLA/Fe-PLA 구조는 자기장을 생성했으나, PLA/CB-PLA 구조는 무시할 만한 자기 반응을 보였다. 자기 강도는 코어 직경이 커질수록 증가하고, 자기 선속 감쇠로 인해 인솔 두께가 두꺼워질수록 감소했다. 통합형 PLA/Fe-PLA-10.00 인솔(두께 1.0 mm)은 최대 351 ± 8.84 Gs의 자기장 강도를 달성했다.
• 기계적 성능: 통합형 구조체는 조립형 구조체보다 우수한 기계적 무결성을 입증했다. 조립형 샘플은 약한 계면 결합으로 인해 압축 시 급격한 응력 강하와 불규칙한 응력-변형률 곡선을 보였다. 반면, 통합형 구조체는 안정적인 응력-변형률 곡선, 높은 하중 지지 능력(통합형 PLA/Fe-PLA-10.00의 경우 최대 10.22 kN) 및 균일한 변형을 보여주었다. 듀얼 노즐 공정을 통한 연속적 결합은 효율적인 응력 전달을 촉진하고 내부 공극을 줄였다.

의의 및 주장
본 연구는 PLA 기반 복합 필라멘트의 듀얼 노즐 FDM 프린팅이 다기능 인솔을 생산하기 위한 실용적이고 확장 가능한 방법임을 결론짓는다. 주요 의의는 통합형 외피-코어 설계에 있으며, 이는 출력 후의 조립 및 접착 결합 필요성을 제거하여 구조적 복잡성을 줄이고 기계적 내구성을 향상시킨다.

저자들은 코어 크기와 두께를 제 제어함으로써 특정 센싱 응용 분야를 위한 인솔의 전기적 및 자기적 특성을 맞춤화할 수 있다고 주장한다. 통합형 접근 방식은 구조적 무결성과 내장된 센싱 능력(CB-PLA의 전기적 특성, Fe-PLA의 자기적 특성)을 성공적으로 결합하였으며, 이는 외부 센서 장착의 한계 없이 보행 모니터링 및 재활을 위한 완전 통합형 웨어러블 신발 연구의 토대를 마련한다.