3D 프린팅 소재 가이드: 유형, 응용 분야, 물성

3D 프린팅에 사용할 수 있는 플라스틱 소재는 수집 가지가 있고 소재에는 제각기 독특한 특성이 있어 제일 잘 어울리는 사용 사례가 서로 다릅니다 주어진 파트 또는 제품에 최적의 소재를 찾는 과정을 간소화하기 위해 먼저 주요 플라스틱 유형과 각기 다른 3D 프린팅 공정을 살펴보겠습니다.

플라스틱에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.

• 열가소성 플라스틱은 가장 흔하게 사용되는 유형입니다. 이 유형이 플라스틱과 열경화성 플라스틱을 가르는 주요 특성은 용융과 응고 주기를 수도 없이 거쳐도 되는 능력입니다. 열가소성 플라스틱을 가열하면 원하는 형태로 성형할 수 있습니다. 화학 결합이 일어나지 않아 가역적인 과정이며 재활용하거나 녹여서 재사용할 수 있습니다. 용융, 재응고, 재용융이 가능한 열가소성 플라스틱은 일반적으로 버터에 비유합니다. 각 용융 주기에 따라 특성이 약간 변합니다.

• 열경화성 플라스틱(열경화성 수지로도 지칭)은 경화 후 영구적으로 고체 상태가 됩니다. 열경화성 소재 중 폴리머는 열이나 빛, 적절한 방사선으로 경화하는 과정에서 가교 결합을 일으킵니다. 열경화성 플라스틱을 가열하면 녹는 대신 분해되어 냉각하더라도 다시 응고하지 않습니다. 열경화성 플라스틱은 재활용하거나 소재를 기본 구성 성분으로 되돌릴 수 없습니다. 열경화성 소재는 케잌 반죽 같아서 한 번 케잌으로 굽고 나면 다시 녹여서 반죽으로 만들 수 없습니다.

다음은 오늘날 가장 인정받는 플라스틱 3D 프린팅 공정입니다.

• 용융 적층 모델링 방식(FDM) 3D 프린터는 열가소성 플라스틱 필라멘트를 용융한 후 압출하며 프린터 노즐이 빌드 공간에 압출된 플라스틱을 레이어 형식으로 한 겹 한 겹 적층합니다.

• 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린터는 레이저를 사용하여 액체 레진을 경화 플라스틱으로 경화하며 이 프로세스를 광중합(photopolymerization)이라고 합니다.

• 선택적 레이저 소결 방식(SLS) 3D 프린터는 열가소성 플라스틱 분말 소자를 용융하는 데 고출력 레이저를 사용합니다.

용융 적층 모델링(FDM) 방식은 융합 필라멘트 제조(FFF) 방식으로도 알려져 있으며 일반 소비자 시장에서 가장 보편적으로 사용되는 3D 프린팅 방식입니다. 취미용 3D 프린터의 출현에 힘입어 인기를 얻는 방식입니다.

해당 기술은 기본 개념 증명 모델 뿐만 아니라 흔한 기계 가공 파트 처럼 간단한 파트를 신속하고 저렴하게 프로토타이핑하기에 아주 좋습니다.

소비재 수준의 FDM은 다른 플라스틱 3D 프린팅 프로세스와 비교할 때 해상도와 정확도가 가장 낮으며 복잡한 디자인이나 복잡한 형상이 있는 파트를 프린팅하기에 최적의 옵션은 아닙니다. 화학 연마와 기계 연마 공정을 거치면 품질이 우수하게 마감 처리할 수 있습니다. 산업용 FDM 3D 프린터는 이러한 문제를 완화하기 위해 수용성 서포트를 사용하고 폭 넓은 엔지니어링 열가소성 플라스틱을 사용할 수 있지만 가격이 만만치 않습니다.

용융 필라멘트가 각 레이어를 형성할 때 레이어들이 완전히 접착되지 않아 그 사이에 빈 공간이 남습니다. 그 결과 이방성 파트가 제작되며 이는 하중을 견디거나 내인장성이 있는 파트를 설계할 때 중요하게 고려해야 하는 점입니다.

가장 일반적인 FDM 3D 프린팅 소재는 ABS, PLA와 이들을 다양하게 혼합한 소재입니다. 더 진보한 FDM 프린터로는 기타 특화된 소재를 프린트하여 우수한 내열성, 내충격성, 내화학성, 강성 같은 특성을 얻을 수 있습니다.

광경화성 수지 조형 방식

모든 플라스틱 3D 프린팅 기술 중에서 SLA 방식으로 프린팅했을 때 정확도와 해상도가 가장 높고 디테일이 선명하며 표면 마감이 가장 매끄러운 파트를 얻을 수 있습니다. SLA 3D 프린팅은 고도로 미세한 피처를 표현한 프로토타입을 제작하기에 안성맞춤인 옵션입니다. 엄격한 공차와 매끄러운 표현 마감 뿐만 아니라 금형, 패턴, 최종 사용 파트와 같이 실제품과 동일하게 작동하는 파트도 얻을 수 있습니다. SLA 3D 프린팅으로 제작된 파트 또한 후처리를 거칠 수 있습니다. 프린팅 후 광택 작업, 도색, 코팅 등을 거치면 고품질 마감 처리를 거친 듯 바로 납품할 수 있는 파트를 얻을 수 있습니다.

SLA 방식으로 3D 프린팅한 파트에는 등방성이 있어 방향과 무관하게 강도가 일정합니다. 이는 각 레이어 사이에 화학 결합이 일어난 데서 기인합니다. 그 결과 지그 및 고정구와 최종 사용 파트, 기능성 프로토타입과 같은 응용분야에서 중요한 요소인 예측 가능한 기계적 성능을 가진 파트를 얻을 수 있습니다.

SLA 3D 프린팅에는 표준용, 엔지니어링용, 산업용 열가소성 플라스틱의 특성과 일치하는 광학적, 기계적, 열적 특성이 광범위한 레진 배합을 사용할 수 있습니다.레진 3D 프린팅을 이용하면 스펙트럼이 넓은 생체적합성 소재도 더불어 사용할 수 있습니다.

특정 소재의 가용성은 제조사와 프린터에 따라 크게 달라집니다. Formlabs은 40가지가 넘는 SLA 3D 프린팅 소재로 구성된 종합 레진 라이브러리를 제공합니다.

선택적 레이저 소결 방식(SLS) 3D 프린팅은 튼튼하고 기능적인 파트를 생산할 수 있다는 점에서 다양한 산업 분야의 엔지니어와 제조 업체가 신뢰하는 기술입니다. 파트당 저렴한 생산 비용, 높은 생산성과 구하기 쉬운 소재 덕분에 이 기술은 신속한 프로토타이핑에서 제조 보조 도구, 그리고 소량 생산, 브릿지 생산 또는 맞춤형 제조에 이르기까지 다양한 응용 분야에 이상적으로 사용할 수 있습니다.

프린팅을 진행하는 동안 용융되지 않은 분말이 파트를 지지하므로 전용 서포트 구조가 필요하지 않습니다. 따라서, SLS는 내부에 특징적 구조가 있는 형태, 언더컷 형태, 박벽, 안쪽으로 함몰된 형태를 비롯하여 복잡한 형태를 프린트하는 데 이상적으로 사용할 수 있습니다.

SLA 방식과 SLS 방식 3D 프린트물도 대개 등방성을 띱니다. SLS 파트는 분말 입자로 인해 표면 마감이 약간 거칠지만 눈에 띄는 레이어 라인은 거의 없으며SLS 3D 프린팅으로 제작된 파트는 쉽게 후처리하여 기계적 성능과 외관을 더욱 개선할 수 있습니다.

SLS 방식은 FDM과 SLA 보다 소재 선택의 폭이 제한적이지만 사용 가능한 소재는 기계적 특성이 우수하며 사출 성형으로 제작된 파트를 방불케하는 강도를 얻을 수 있습니다. 선택적 레이저 소결 방식에서 사용할 수 있는 가장 기본적인 재료는인기 있는 엔지니어링 열가소성 플라스틱인 나일론으로 우수한 기계적 특성까지 겸비했습니다. 나일론은 튼튼하면서도 가볍고 유연할 뿐만 아니라 충격, 화학물질, 열, 자외선, 물, 먼지의 영향에 안정적이기까지 합니다.기타 인기 있는 SLS 3D 프린팅 소재로는 폴리프로필렌(PP)과 유연성이 있는 TPU가 있습니다.

플라스틱을 넘어서서 금속 3D 프린팅에 사용할 수 있는 3D 프린팅 공정은 다양합니다.

• 금속 FDM

금속 FDM 프린터는 기존 FDM 프린터와 유사하게 작동하지만 폴리머 결합제로 응집된 금속봉을 압출합니다. 완성된 '그린(green)' 파트는 이어서 가마에서 소결하여 결합제를 제거합니다.

• 선택적 레이저 용융 방식(SLM) 및 직접 금속 레이저 소결 방식(DMLS)

SLM 프린터와 DMLS 프린터는 SLS 프린터와 유사하게 작동하지만 폴리머 분말를 용융하는 대신 금속 분말 입자를 레이저로 용융하여 한 겹씩 쌓습니다. SLM 및 DMLS 3D 프린터는 강력하고 정확하며 복잡한 금속 제품을 만들 수 있으므로 항공 우주, 자동차 및 의료 응용 분야에 이상적입니다.

• 티타늄은 가볍고 기계적 성질이 우수합니다. 튼튼하고 단단하며 열, 산화, 산에 아주 잘 견딥니다.

• 스테인리스 스틸은 강도와 연성이 높고 부식이 잘 되지 않습니다.

• 알루미늄은 가볍고 오래가며 튼튼하고 열적 성질이 우수합니다.

• 툴 스틸은 최종 사용 도구 및 기타 고강도 파트를 프린팅하는 데 사용할 수 있는 단단하고 내스크래치성(좀처럼 긁힘이 생기지 않는) 소재입니다.

• 니켈 합금은 인장 강도, 크리프 강도, 파열 강도가 높고 열과 부식에 강합니다.

플라스틱 3D 프린터와 비교해보면 금속 3D 프린터는 더 비싸고 복잡하며 기업들이 대체로 접근하기가 어렵습니다.

대안인 SLA 3D 프린팅은 기존 방법보다 더 짧은 시간에 자유자재로 디자인할 수 있으며 더 저렴한 비용으로 금속 파트를 생산해내는 주조 워크플로에 잘 어울립니다.

또 다른 대안으로는 SLA 파트를 전기 도금하는 방법이 있으며 여기에는 플라스틱 소재를 전기 도금하여 금속으로 한 겹 코팅하는 작업이 포함됩니다. 이 방법을 이용하면 금속의 강도, 전기 전도도, 내부식성, 내마모성 같은 일부 우수한 특성과 주요 소재(대개 플라스틱)를 결합할 수 있습니다.

사용 가능한 이들 소재와 3D 프린팅 옵션중에서 어떻게 해야 올바른 소재와 프린팅 방식을 선택할 수 있을까요?

응용 분야에 꼭 맞는 3D 프린팅 소재와 플라스틱 3D 프린터를 선택하시도록 여기에 3 단계 프레임워크를 준비했습니다.

3D 프린팅에 사용되는 플라스틱은 저마다 다른 화학적, 광학적, 기계적, 열적 특성이 있어 3D 프린팅 파트로 어떤 성능을 얻을지 결정할 수 있습니다. 의도하는 용도가 실세계의 사용에 접근할수록 요구하는 성능은 늘어납니다.

제품에서 요구하는 성능을 확인하고 나면 다음 단계에서 그 요구사항을 소재 요구사항, 즉 해당 성능을 충족하는 데 필요한 소재 특성으로 바꿉니다. 일반적으로 소재의 데이터 시트에서 이들 특성의 측정치를 확인할 수 있습니다.

소재의 특성에 관한 더 자세한 정보를 얻으시려면 저희가 준비한 가장 일반적인 기계적 성질과 열적 성질에 관한 가이드를 읽어보세요.

성능 요구사항을 소재 요구사항으로 변환하고 나면 대체로 응용 분야에 적합할 가능성이 있는 단일 소재 또는 소규모 그룹의 소재가 남기 쉽습니다

기본 요구사항을 충족하는 소재가 여러 개라면 원하는 특성을 더 추가해서 확인하고 주어진 소재와 공정의 장단점을 고려하여 최종적으로 선택할 수 있습니다.