5축 초음파 커팅 시스템 설계 및 머신러닝을 활용한 최적화 연구
저자
발행사항
인천 : 인하대학교 대학원, 2023
학위논문사항
학위논문(박사)-- 인하대학교 대학원 : 기계공학과 2023. 2
발행연도
2023
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
인천
기타서명
A Study on the Design of 5-Axis Ultrasonic Cutting System and Optimization Study Using Machine Learning
형태사항
xii, 154 p. : 26 cm.
일반주기명
인하대학교 논문은 저작권법에 의해 보호받습니다.
지도교수: 조명우
참고문헌: p.149-154
UCI식별코드
I804:23009-200000661759
소장기관
투명교정 필름은 매우 얇고 투명한 플라스틱 소재로 눈에 잘 띄지 않고, 발음의 어려움이 없기 때문에 치아 교정 장치로 활용되고 있다. 투명 치아교정 장치는 투명교정 필름에 열을 가한 후 치아 보정 틀에 올려놓고 진공 성형한다. 일반적으로 성형된 제품은 가위를 사용하여 투명교정 필름을 잘라내어 제작하고 있다. 소재의 특성상 가위를 사용하더라도 쉽게 자르기 어려우며, 가공 면 또한 매끄럽지 않기 때문에 착용에 불편함이 야기된다. 다양한 커팅 가공 기술이 연구되고 있으나 열가소성 복합소재인 투명교정 필름 PETG의 커팅 연구는 미비한 것으로 조사되었다. 초음파 커팅은 초음파 진동을 동적으로 적용한 기술이다. 고주파 진동을 이용하여 절삭면의 마찰 저항을 줄이고 높은 절삭력으로 재료 손상을 방지하여 난삭재 절단에 사용되는 고정밀, 고효율 가공 기술이다.
본 연구에서는 치아교정용 투명필름 PETG 시트를 초음파 나이프로 절단할 수 있도록 5축 초음파 절단 시스템을 설계 제작하였으며, 5축 기계의 작동제어 및 초음파 절단을 위한 NC-code 생성 및 모션 시뮬레이션을 통해 기계적인 작동 및 가공경로를 확인하였다. 파동방정식 이론과 공진조건식을 통해 초음파 Step 혼을 설계하고 Modal 해석과 Harmonic 해석을 통해 Transducer에 최적화된 초음파 Step horn과 knife를 검증하고 제작하였다. 초음파 knife의 성능을 확인하기 위해 공진주파수 측정, 초음파 진폭 측정, 초음파 발열 측정, 절삭력 실험을 통해 측정하였고 초음파 커팅 가공 특성을 분석하였다. 분석 결과를 토대로 실험 인자를 선정하고 수준을 결정하였으며 다구찌 실험계획법(Taguchi Method)을 적용하여 최소의 실험을 진행하였다. S/N비, 회귀분석, 주 효과 분석, 분산분석을 통해 실험 인자의 영향력을 확인하였고 다구찌 망소특성 예측을 통해 PETG 초음파 커팅 가공의 최적화 조건을 도출하였다.
머신러닝 데이터 분석은 다구찌 실험계획법으로 실시한 실험 결과를 머신러닝 프로그램에 동일하게 입력하여 데이터 분석을 통한 최적화 결과를 예측하였다. 머신러닝에서의 주 효과 분석은 Scatter plot 결과를 통해 상관계수 r값으로 실험 인자의 상관관계를 확인하였다. 머신러닝에서 사용할 통계분석 예측모델은 Linear regression, Random forest, Adaboost, SVM을 사용하였으며 입력데이터를 활용하여 예측모델의 적합성을 확인하고 예측된 최적조건의 확인실험을 통해 예측결과와 비교하여 통계분석 모델의 적합성을 확인하였다.
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