SLS 3D 프린팅 파트 염색 가이드

염색 시스템을 선택할 때는 필요한 파트 크기, 수량, 가격, 색상 일관성 수준을 고려해야 합니다. 염색 시스템의 가격은 수백 달러에서 수만 달러까지 다양하며, 달성 가능한 품질과 일관성 수준에 따라 가격이 결정되는 경우가 많습니다. 3D 프린트 파트를 염색하는 가장 일반적인 네 가지 방법은 각각 뚜렷한 장점이 있으며, 방법을 선택하기 전에 색상 품질과 예산에 대한 기대치를 설정하는 것이 중요합니다.

포트 염색은 고온에 안전한 냄비와 염료 용액만 있으면 되므로 가장 접근하기 쉬운 방법이지만 다른 방법과 비교했을 때 결과가 일정하지 않고 노동력이 많이 들며 열과 교반으로 인해 파트가 손상되는 경우가 있습니다.

초음파 염색은 일관성 및 파트 무결성 유지 측면에서 포트 염색보다 개선된 결과를 제공합니다. 이 방법은 사용자가 초음파 세척기에 원하는 온도를 설정하고 파트를 넣고 타이머를 설정하기만 하면 되므로 포트 염색보다 노동력이 덜 듭니다. 용액을 교반하는 데 초음파 진동을 사용하므로 염색 중 파트가 손상될 가능성이 줄어들고 일관된 결과를 얻을 수 있습니다.

압력 염색은 인스턴트 포트와 같은 요리 기구와 유사한 압력솥을 사용하여 진행합니다. 이 방법을 사용하면 포트 염색이나 초음파 염색보다 더 높은 온도에 도달할 수 있습니다. 압력솥 내부의 용액에 파트를 넣은 후 밀봉하면 최대 120℃까지 올라갈 수 있습니다. 열과 압력의 조합은 부품을 포화시키는 강렬한 색상에 도움이되지만 단점은 높은 온도로 인해 파트가 손상 될 수 있다는 것입니다 - 120 ℃는 Formlabs TPU 90A Powder 의 Vicat 연화점보다 높습니다.

산업용 시스템 DyeMansion DM60과 같은 산업용 시스템은 대량의 파트와 매우 일관된 결과가 필요한 경우에 비용 효율적입니다. 이러한 대형 솔루션은 염색 공정에서 수작업의 대부분을 없애고 다양한 유형의 파트와 색상을 프로그래밍해 놓은 설정값이 포함되어 있습니다. DM60과 같은 '설정 후 잊어버리는' 유형의 시스템을 통해 SLS 3D 프린팅 고객은 파트 설계 및 프린트 최적화와 같은 우선 순위가 높은 작업에 더 많은 시간을 할애할 수 있습니다. 

염색에 권장하는 하드웨어는 Winco의 ESVC-28 - Spectrum Thermal Circulator입니다. 이 장비는 저렴하고 다양한 출처에서 구입할 수 있으며 설정과 사용이 간편합니다.

미국 공급가: $699.99

EMEA 공급가: €659.99

APAC 공급가: $299

80°C~90°C의 필요한 온도에 도달하고 용액을 순환시킬 수 있는 시스템이라면 염색에 적합해야 합니다. 또한 염색조에서 파트를 꺼낼 때 도움이 되는 스테인리스 집게를 근처에 두는 것이 좋습니다.

또한 대량 생산이 필요하거나 매우 일관된 결과가 필요한 경우 비용 효율이 높은 Dyemansion DM60과 같은 SLS 염색용 산업용 솔루션이 시중에 판매되고 있습니다. 이 제품은 염색 배치당 최대 60L의 컴포넌트를 담을 수 있으며, 자동으로 염료를 주입하고 염색 후 파트를 헹굽니다.

DM60은 포트 염색에 비해 훨씬 높은 수준의 일관성을 제공할 뿐만 아니라 염료의 UV 안정성이 향상되었습니다. 다이맨션에서 제공하는 추가 서비스는 맞춤형 색상 개발입니다. 색상 요구 사항이 엄격하거나 매우 많은 양의 파트(최종 사용 부품, 1000개 이상의 생산량)를 염색하려는 사용자에게는 DM60과 같은 산업용 장비를 사용하는 것이 좋습니다.

이러한 대형 솔루션을 이용하면 염색 공정에서 수작업을 대부분 하지 않아도 되고 다양한 유형의 파트와 색상에 대한 프로그래밍된 설정을 포함합니다. 그러나, 초기 비용이 클수록 파트를 대량으로 프린트해야 투자 비용을 더 빨리 회수할 수 있습니다.

순환 및 가열된 수조는 수조의 강철 라이너를 부식시킬 수 있습니다. 이 백서에서 제안하는 염료 중 일부는 반복적인 가열로 인해 강철을 서서히 부식시킬 수 있습니다. 이는 가정에서 사용하는 온수기의 부식과 매우 유사합니다. 잠재적인 부식을 해결하는 가장 쉬운 해결책은 마그네슘 양극을 수조에 추가하여 전도성 클램프 또는 단단한 접합을 통해 강철 라이너와 전기적으로 접촉하도록 하는 것입니다. Formlabs의 내부 테스트 결과, 양극에 마그네슘을 사용하면 염색조의 수명이 마그네슘 양극이 없는 염색조의 수명보다 8배 이상 연장되는 것으로 나타났습니다. 마그네슘 양극은 아마존과 지역 철물점 등 쉽게 구할 수 있는 여러 채널을 통해 공급받을 수 있습니다. Formlabs은 테스트 중에 이 마그네슘 양극을 염색조에 사용했습니다.

그 밖에 염색조의 수명을 연장하는 옵션으로는 자카드 산성 염료와 같은 순한 염료 용액을 사용하거나 염색조를 낮은 온도에서 작동하는 방법이 있습니다.

염료의 경우, 빠르고 간편한 결과를 원하는 사용자에게는 RIT ProLine 염료를 추천합니다. 현재 RIT에서 제공하는 옵션 이상의 컬러 매칭이나 염색은 허용하지 않지만, 간소화된 솔루션을 제공합니다. 염색조의 시간과 온도를 변경하여 다양한 색상의 색조를 얻을 수 있습니다. 온도와 시간의 영향에 대한 자세한 내용은 이 백서의 염색 워크플로 섹션에 포함되어 있습니다. RIT ProLine은 Amazon 또는 RIT 웹사이트를 통해 구매할 수 있습니다.

테스트 과정에서 자카드 산성 염료도 테스트한 결과 효과적인 솔루션으로 밝혀졌습니다. 자카드 산성 염료의 채도는 RIT에 비해 눈에 띄게 향상되지는 않았지만 사용 가능한 색상의 가짓수는 더 많습니다.

RIT ProLine 염료를 사용하는 경우, 물 1kg당 염료 100g과 구연산 100g을 권장 농도로 사용합니다. 염료 및/또는 구연산을 추가하면 파트의 염료 흡수율이 높아질 수 있습니다. 염료 흡수율이 높아지면 최종 제품의 채도가 높아지고 색상이 더욱 강렬해집니다. 제안된 농도로 시작하여 몇 가지 테스트 파트를 사용하여 최종 파트 모양에 대한 색상 및 시간 영향을 평가한 다음 염료를 더 추가하거나 다른 색상의 염료를 추가하여 원하는 모양으로 조정합니다.

탈이온수와 수돗물을 테스트한 결과, 두 물 사이에 측정 가능한 차이가 확인되지 않았습니다. 사용된 수돗물은 매사추세츠주 서머빌에서 공급된 것으로 평균 물의 경도는 16mg/L입니다. 수돗물 경도가 높은 지역의 사용자는 수돗물과 탈이온수를 사용할 때 다른 결과를 볼 수 있습니다.

이 가이드의 뒷부분에 자세히 설명되어 있듯이 Formlabs 고객이자 최종 사용 부품 제조업체인 Ken Pillonel은 프랑스 회사 Techniques Chimiques Nouvelles의 염료가 더 생생한 색상을 제공한다는 사실을 발견했습니다. 내부 테스트 결과, 이 염료는 색감은 밝었지만 확연히 냄새가 났습니다. 작업 공간에 환기가 제대로 되지 않는다면 RIT 염료가 더 나은 선택일 가능성이 높습니다.

염색하기 전에 파트를 적절히 세척하는 것이 중요합니다. 파트 표면에 남아 있는 분말이 소결된 분말과 다르게 염료를 흡수하여 제어되지 않고 균일하지 않은 염료 마감을 초래하고 파트의 세척 안전성을 떨어뜨릴 수 있습니다. Fuse Blast 자동 세척 및 연마 솔루션으로 파트를 청소하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 워크플로에에서 작업 시간을 늘리지 않고도 파트에서 미세 분말을 모두 제거할 수 있습니다. 또는 그 대신, 수동 미디어 블라스터로 파트를 깨끗하게 처리할 수 있습니다.

Nylon 12 White Powder로 프린팅된 파트를 클리닝할 때는 이전에 회색 파우더에 사용했던 블라스팅 캐비닛을 사용하지 않는 것이 좋습니다. 미세 분말 때문에 흰색 파트에 회색 광택이 생길 수 있기 때문입니다.

수조를 90°C로 가열하면 채도를 극대화할 수 있습니다. 사용 중인 염색조에 따라 염색조를 가열하는 데 몇 시간이 걸릴 수 있습니다. 수조가 최고 온도에 도달하면 수조에서 1분 동안 파트를 테스트합니다. 이 시간은 색상을 측정하고 염료 또는 수조에서 필요한 시간을 추가로 조정해야 하는지 결정하기에 충분한 시간입니다.

온도 및 시간

온도와 시간은 최종 파트 색상에 큰 영향을 미칩니다. 테스트 결과, 온도가 높을수록 더 짧은 시간에 더 채도가 높은 색상을 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다.

더 밝은 색조를 원한다면 염료 용액 온도를 70°C 이하로 낮추는 것이 좋습니다. 온도가 높으면 포화 상태가 매우 빠르게 발생하여 편차의 여유가 거의 없어지고 완성된 파트의 편차가 발생할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 염료의 파트 흡수량이 증가하지만, 이 추세는 20~25분 후 파트가 더 이상 염료가 표면에 침투할 수 없는 포화 지점에 도달하면서 정체됩니다.

첨가제

어떤 첨가제는 염색 공정을 변경하고 균일성 또는 염료 흡수율을 개선하는 데 사용할 수 있습니다. RIT ProLine 및 자카드 산성 염료의 경우 일반적으로 염색조를 산성화하는 데 필요한 성분으로 구연산 또는 아세트산을 사용합니다.

황산암모늄은 구연산이나 아세트산의 대부분 또는 전부를 1:1로 대체할 수도 있습니다. 황산암모늄은 순한 산성 공급원이자 레벨링제로서, 파트에 염료가 흡수되는 속도를 늦춰줍니다. 이는 더 밝은 색조로 균일성을 달성하거나 색조를 보다 정밀하게 제어해야 하는 염색 워크플로우에 유용합니다. 산성 성분과 함께 사용할 수 있는 다른 레벨링제에는 황산나트륨, 아세트산나트륨, 양이온성 또는 비이온성 계면활성제가 있습니다.

계면활성제는 염색 후 세척 과정뿐만 아니라 염색조에 사용하면 도움이 될 수 있습니다. 염색조에 계면활성제를 첨가하면 작은 기공이나 파트의 채널에 침투하고 염료를 레벨링하는 데 도움이 될 수 있습니다. 알코젯 저발포 세제(Alcojet Low-Foaming Detergent)와 같은 비이온성 가정용 세제는 염모제 1kg당 권장량인 10g을 사용할 수 있습니다. 주방 세제와 같은 이온성 계면활성제는 거품이나 거품을 유발할 수 있으므로 사용하지 않는 것이 좋습니다.

파트에서 염료 침출을 최소화하기 위해 염색 후 중성 계면활성제로 파트를 세척하여 과잉 염료나 결합되지 않은 염료를 제거할 수 있습니다. 강한 계면활성제나 뜨거운 물을 사용하면 염료 색조가 바래질 수 있으므로 주의해야 합니다. 제조업체의 지침에 따라 신트라폴(Synthrapol)과 같은 특수 설계된 세제를 사용하는 것이 좋습니다.

세척 후에는 염료 고정제를 사용하여 염료 침출을 방지할 수도 있습니다. 이러한 제품은 세탁 및 건조를 거치는 염색 파트에 사용되며 온라인에서 다양한 옵션을 사용할 수 있습니다. 산성 염료, 나일론, 실크 또는 양모와 함께 사용하도록 광고된 고정제를 선택해야 합니다. 또한, 고정제를 사용하는 대신 염색된 파트를 코팅하여 최적의 세탁 및 내광성을 구현할 수 있습니다. 폴리우레탄 코팅은 염색된 원단에 자주 사용되지만 작업하기가 더 까다로울 수 있습니다. 소규모 또는 간편한 워크플로우를 위해 패브릭 코팅 및 보호제를 염색 파트의 표면 코팅에 사용할 수 있습니다. 나일론 원단과 호환되는 코팅을 선택해야 합니다.

염료 배스 색상 변경

염색조 내 염료의 색상을 변경할 때는 먼저 현재 용액을 모두 배출하고 현지 규정과 염료의 안전 데이터 시트(SDS)에 따라 폐기하세요. 또는 현지 안전 규정에 따라 염색조를 액체 형태로 보관하여 나중에 사용할 수도 있습니다.

염료 용액을 가열하고 순환시키면 약간의 침전이 발생할 수 있습니다. 따라서 배수 후 탱크의 벽과 바닥을 닦아 색상의 교차 오염이 발생하지 않도록 해야 합니다. 이 두 단계가 완료되면 깨끗한 물로 헹구어 순환 시스템에 남아 있는 염료를 제거하는 것이 좋습니다.

장비를 청소한 후에만 새 염료 용액을 준비해야 합니다. 여러 색상을 자주 사용할 경우, 자주 교체하는 것을 방지하기 위해 여러 개의 서큘레이터를 구입하는 것도 좋은 방법입니다.

Ken Pillonel은 탱크 안에 염료 용액을 채운 큰 플라스크와 그 바닥에 회전하는 자석을 사용하여 액체를 교반하는 쉬운 해결 방법을 고안했습니다. 이렇게 하면 냉각과 세척을 기다릴 필요 없이 염료 색상마다 다른 플라스크를 사용할 수 있습니다. 그의 방법과 이 해결 방법에 대해 자세히 알아보려면 글 마지막에 공유된 그의 동영상을 시청하세요.

염색조 열화

연속적인 배치의 파트가 염색조를 순환하면서 염료 안료가 파트의 표면에 흡수되어 염료 조의 염료 농도가 고갈됩니다. 이를 고려하기 위해 용액에 염료를 추가해야 할 수도 있습니다. 가장 일관된 색상 결과를 얻으려면 매 사이클마다 새로운 염색조를 사용하는 것이 가장 좋습니다.

세척

염색 후 파트는 물로 세척해야 합니다. 이렇게 염색 후에 세척하면 파트 표면에 남아 있는 과도한 염료 용액을 제거할 수 있습니다. 염료가 남아 있으면 건조되면서 파트의 색이 고르지 않게 변할 수 있으며 습기에 노출되면 묻어날 수 있습니다. 파트를 세척려면 1~5분간 또는 물이 깨끗해질 때까지 따뜻한 물에 헹구기만 하면 됩니다. 한 번에 많은 파트를 수조에서 꺼낼 경우, 꺼낸 즉시 찬물에 넣으세요. 헹구지 않아 파트에 염료가 과도하게 묻어 있으면 색상이 고르지 않을 수 있습니다.

건조

세척 후 파트를 건조하면 얼룩을 방지하는 데 도움이 됩니다. 이 단계는 선택 사항이지만 내부에 액체가 고일 수 있는 공동(cavity)이 있는 파트에 특히 권장됩니다. 이러한 파트는 고르지 않게 건조되어 컴포넌트의 일부 표면에 물 자국 얼룩선이 생길 수 있습니다. 이를 줄이려면 염색 사이클이 완료된 후 여분의 염료를 깨끗이 씻어내고, 가능하면 압축 공기를 사용하여 과도한 수분을 최대한 제거하여 건조해야 합니다. 일관성 있는 결과를 얻으려면 음식물 탈수기를 사용하는 편이 반복 가능한 결과를 얻을 수 있는 저렴한 방법이라는 것을 알게 되었습니다.

연마

염색 후 Fuse Blast Polishing System을 사용하면 염색된 파트의 반사율을 높여 광택을 향상하는 데 효과적입니다. 파트는 광택 마감을 위해 증기 평탄화 후 염색할 수도 있습니다.

염색을 인하우스로 도입하는 데 필요한 장비는 접근성이 대단히 우수해야 합니다. 장비를 확보하기만 하면 염료를 실험하는 데 드는 비용이 엄청나게 저렴해집니다. 이 때문에 대부분의 상황에서 염색은 도색이나 코팅보다 비용 효율적입니다.

염색 공정은 대부분 자동화되어 있으며, 염료 용액이 준비되면 장비가 염색조 온도를 조절합니다. 유일하게 해야 할 작업은 욕조가 순환하는 동안 염색할 파트를 욕조에 넣고 원하는 시간이 되면 파트를 꺼내 헹구는 것뿐입니다. 작업량이 적다는 점은 SLS 3D 프린팅 파트에 색상을 입힐 때 염색으로 얻을 수 있는 또 다른 장점입니다.

Fuse 시리즈 SLS 3D 프린터를 이용하면 매우 복잡한 형상을 프린트할 수 있습니다. 따라서 가시선 스프레이에 의존하는 기존 코팅 방식으로는 커버하기 어렵거나 불가능한 특징을 표현할 수 있습니다. 염색은 수용액을 사용하여 색상을 입히기 때문에 복잡한 내부 형상도 외부 형상과 마찬가지로 효과적으로 염색할 수 있습니다.

컵 모양을 가진 파트를 염색할 때는 완전히 물에 잠기도록 하세요. 내부에 구멍이 있는 파트는 공기를 가두어 부유하는 경향이 있습니다. 이렇게 하면 염료가 용액 위에 떠 있는 표면과 갇힌 기포가 있는 내부 면에 침투하는 것을 방지할 수 있습니다. 파트를 강제로 물에 담그고 교반하여 갇힌 공기를 제거하면 이 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.

밝은 색조를 염색할 때는 염색조에서 보내는 시간과 염색조의 온도에 따라 파트의 최종 색상이 크게 달라집니다. 특정 색조를 원하거나 염색조 여러 개에서 모든 파트를 일관된 색상으로 염색해야 하는 경우, 용액에서 동일한 시간 후에 파트를 꺼내고 동일한 온도에서 염색하는지 확인합니다.

염색 과정은 상당히 지저분할 수 있습니다. 염료 용액에서 파트를 추가하거나 제거할 때 튀거나 흘러내릴 수 있습니다. 피부나 옷에 튀는 물방울은 염색되므로 적절한 PPE를 사용해야 합니다. 또한 염색 장비는 흰색 벽과 같이 얼룩이 묻지 않기를 원하는 표면에서 멀리 떨어진 곳에 두는 것이 좋습니다. 염료 폐기는 사용 중인 염료에 따라 어려울 수도 있습니다. 염료 용액이 올바르게 폐기될 수 있도록 해당 지역의 물 사용 요건을 확인하고 SDS를 준수하세요. 마지막으로 고려해야 할 작업 공간 제약 조건은 연기입니다. 염색 과정에서는 용액을 가열해야 하므로 염료 용액에 포함된 성분에 따라 연기가 발생할 수 있습니다. 테스트 결과, 일부 브랜드는 다른 브랜드보다 훨씬 더 눈에 띄는 향이 나기도 했지만 모든 경우에 적절한 환기를 강력히 권장합니다. RIT 프로라인은 다른 브랜드에 비해 눈에 띄는 냄새가 적었습니다.

염색된 파트의 색상은 시간이 지나면서 파트가 빛이나 물에 노출되면 변색될 수 있습니다. 이러한 속성을 각각 내광성 및 세탁 견뢰도라고 합니다. 염색 후 파트를 적절히 세척하지 않으면 습한 환경에서 염료 침출이 발생할 수 있습니다. 자세한 내용은 염료 후 세척을 참조하세요. 염색 후 파트를 적절히 세척하고 건조하더라도 탈색이 발생할 수 있습니다. 고온이나 잦은 세척에서는 이 변색이 가속화됩니다. 장시간 햇빛이나 자외선에 노출되면 색이 바래는 것도 예상됩니다.

자외선 차단 클리어 코팅과 같은 모든 형태의 자외선 차단은 내광성을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. Krylon 및 Rustoleum과 같은 브랜드는 널리 사용 가능하며 비용 효율적입니다. 테스트 결과, RIT ProLine 블랙 염료로 염색한 Nylon 12 White Powder는 햇빛에 일주일 정도 노출된 후에도 일관된 색조를 유지하는 것으로 관찰되었습니다. 마찬가지로 60℃의 물에 6시간 동안 담가두면 염색된 파트는 약 3%(일반적인 사람이 인지할 수 있는 한계치) 정도 색이 바랬습니다. 이 파트에서 눈에 띄게 많은 양의 염료가 침출되어 담근 물과 접촉한 피부나 천을 더럽히는 것이 관찰되었습니다.

^{염색은 브랜드 미학에 어울리는 색상을 맞춤형으로 적용할 수 있어 기능성 프로토타입 제작과 최종 사용 파트 생산 모두에 적합한 공정입니다.}