내열성 3D 프린트 재료 가이드: 공정, 재료 및 응용 분야 비교

FDM 3D 프린터는 기본 개념 증명 모델뿐만 아니라 일반적으로는 기계로 가공했을 단순한 파트의 프로토타입을 신속하게 저렴한 비용으로 제작하기에 제격입니다. 간단한 디자인의 경우 속도가 빠르며, 많은 사람들이 3D 프린팅 하면 용융 적층 모델링 방식과 '핫 글루건' 공정을 떠올리기 때문에 3D 프린팅에 쉽게 입문할 수 있습니다.

FDM은 SLA 또는 SLS 와 비교할 때 해상도와 정확도가 떨어지며 복잡한 디자인이나 형상이 있는 파트를 프린팅하는 데는 최적의 옵션이 아닙니다. 대부분의 전문가용 및 산업용 3D 프린터는 이러한 문제를 완화하고 더 광범위한 엔지니어링 열가소성 플라스틱을 제공하기 위해 용해성 서포트를 사용하지만, 가격도 만만치 않습니다.

내열성 3D 프린트 파트를 제작하는 데 사용할 수 있는 다양한 FDM 프린터가 있습니다. 많은 프린터가 개방형 플랫폼을 갖추고 있으므로 고객은 다양한 제조업체의 여러 유형의 필라멘트를 사용하여 프린팅할 수 있습니다.

3D 프린터로 내열성 부품을 프린트할 때 가장 중요한 것은 프린터 압출기와 프린트 베드가 내열성 필라멘트를 녹이고 압출하는 데 필요한 높은 온도 설정을 달성하고 프린트 공정 중에 파트를 안정화할 수 있는지 확인하는 것입니다. 프린팅하는 동안 일관되고 높은 온도를 유지하려면 밀폐된 조형 공간을 사용하는 것이 좋습니다. PEEK 또는 ULTEM과 같이 최고의 내열성을 제공하는 필라멘트는 특수 산업용 FDM 프린터와만 호환됩니다.

이러한 재료는 고온에서 변형에 견디도록 설계되었기 때문에 용융 및 압출 시 종종 어려움이 있으며 일관되지 않은 프린팅물, 노즐 걸림 또는 기타 문제가 발생할 수 있습니다.

용융 적층 모델링 방식에 가장 많이 사용되는 두 가지 재료는 PLA와 ABS입니다. 이 두 가지 중 ABS는 더 높은 내열성을 제공합니다. 내열성이 더 뛰어난 다른 필라멘트도 있지만, 이러한 필라멘트는 프린팅하기가 더 어렵거나 특수 산업용 3D 프린터가 필요한 경우가 많습니다.

PLA

PLA는 필라멘트 3D 프린터에 가장 일반적으로 사용되는 플라스틱 소재로, 비용이 저렴하고 작업 과정이 매우 간단하며 다양한 색상으로 제공되어 취미 및 초중고 교육 시장에 매력적으로 다가갑니다. 표준 PLA는 0.45MPa에서 열변형 온도(HDT)가 약 50ºC로 상대적으로 내열성이 낮습니다. 따라서 사용 편의성을 유지하면서 내열성 PLA 파트를 빠르고 쉽게 프린트할 수 있기를 원하는 사람들을 위해 많은 제조업체에서 내열성을 향상시키는 첨가제가 포함된 PLA 소재를 제공합니다. 또한 일부 워크플로에서는 어닐링 단계를 권장하는데, 이는 완성된 파트를 재가열하여 구조를 더욱 결정화하고 변형 시 크리프 또는 느린 변형을 방지하는 것을 의미합니다.

ABS

ABS는 엔지니어링 및 기타 전문 분야에 가장 널리 사용되는 용융 적층 모델링 방식의 3D 프린팅 필라멘트입니다. 튼튼하고 충격에 강한 파트를 생산합니다. 0.45MPa에서 90ºC의 열변형 온도(HDT)로 PLA나 PETG와 같은 다른 일반적인 필라멘트 유형보다 내열성이 우수합니다. ABS 파트는 신속한 프로토타이핑 애플리케이션과 교육 분야에 이상적이며, 저렴한 비용과 접근성 높은 워크플로로 인해 빠른 프린팅를 위한 인기 있는 선택입니다.

폴리카보네이트(PC)

폴리카보네이트 소재는 인장 강도와 내열성이 높은 것으로 알려져 있지만 열에 노출되면 팽창하고 3D 프린트된 파트가 깨지거나 오작동할 수 있기 때문에 일반적으로 3D 프린트가 어렵습니다. 3D 프린터 제조업체는 접착력을 높이는 첨가제를 사용하여 폴리카보네이트 합성 복합재를 만들어 이 문제를 해결하기도 합니다. 일부 내열성 폴리카보네이트 합성 복합재는 0.45MPa에서 최대 110°C~140°C의 HDT를 달성할 수 있지만 프린트 베드와 압출 노즐에 높은 온도가 필요하므로 사용 가능한 프린터 유형이 제한될 수 있습니다. 

PEEK

PEEK 또는 PEEK 합성 복합재 필라멘트는 FDM 3D 프린팅에 가장 높은 내열성을 제공합니다. 이러한 필라멘트를 탄소 섬유와 같은 소재와 결합하면 탄소 섬유 PEEK 복합 소재인 PEEK-CF의 경우처럼 변형이 일어나기 전에 최대 260ºC까지 도달할 수 있어 전기 커넥터, 실외 제품 또는 성형 애플리케이션 및 공정 관련 지그 및 고정구의 신속한 프로토타입 제작에 이상적입니다. 이 소재는 내화학성과 내마모성이 뛰어나며 프린팅 후 고체 형태로 한 번만 가공할 수 있습니다. PEEK의 내열성 특성으로 인해 녹아서 부드럽게 압출하기가 어렵고, 많은 사용자가 PEEK의 신뢰성과 일관성을 얻기가 어렵다고 보고합니다. PEEK 필라멘트는 일부 산업용 용융 적층 모델링 방식 프린터와만 호환됩니다. 좋은 결과를 얻으려면 프린터는 400°C까지 가열할 수 있는 압출기, 120°C까지 가열할 수 있는 챔버, 230°C까지 가열할 수 있는 빌드 플레이트가 있어야 합니다. 또한 PEEK는 다른 필라멘트보다 약간 더 비쌉니다. 

ULTEM(PEI)

ULTEM은 폴리에테르이미드(PEI)의 다른 이름으로, 내열성과 강도가 뛰어나 용융 적층 모델링 방식인 3D 프린팅에 자주 사용되는 고성능 열가소성 플라스틱입니다. 0.45MPa에서 약 150°C의 열변형 온도(HDT)와 높은 인장 강도로 다양한 응용 분야에서 PEEK를 대체할 수 있으며 가격도 저렴합니다. ULTEM은 PEEK보다 쉽게 프린트할 수 있지만, 좋은 결과를 얻으려면 여전히 약 360°C의 고열 압출기가 필요하므로 제한된 범위의 FDM 프린터만 ULTEM 필라멘트 프린팅에 적합합니다.

레진 3D 프린터는 매끄러운 표면 마감, 엄격한 공차 및 다양한 재료 특성을 갖춘 고품질 파트를 제작하는 데 이상적입니다.

레진 프린터는 광원으로 액체 플라스틱을 경화시키기 때문에 층이 모든 방향에서 화학적으로 서로 결합되기 때문에 파트가 등방성 기계적 물성을 가지며 FDM 파트처럼 특정 축을 따라 전단되는 경향이 없습니다. 즉, 내열성 레진으로 프린트된 레진 3D 프린트 파트는 씰과 개스킷, 다른 컴포넌트와 결합해야 하는 전기 커넥터, 심지어 고온이 표준 환경인 자동차, 항공우주 및 에너지 유틸리티 애플리케이션에도 신뢰할 수 있습니다.

또한 광경화성 레진 조형 방식은 매끄러운 표면 마감, 거의 보이지 않는 레이어 라인, 높은 수준의 정확도와 정밀도를 제공합니다. 내열 레진은 최종 사용 환경이 뜨거울 수 있는 유지 관리 및 수리 작업(MRO) 분야의 기능성 프로토타입, 제조 보조 도구 및 최종 사용 파트에 이상적입니다.

레진 3D 프린트를 위한 재료 가용성은 프린터 유형에 따라 크게 달라집니다. 다양한 유형의 프린터에 일반적인 플라스틱을 사용할 수 있는 용융 적층 모델링 방식의 3D 프린트와 달리, 광경화성 레진 조형 방식은 제조업체가 자체적으로 독점적인 소재를 공식화하여 제작하는 경우가 많습니다.

Formlabs는 다양한 재료 특성을 가진 데스크톱 및 대형 3D 프린터( 레진 3D 프린터 ) 라인에 40개 이상의 고성능 레진을 제공합니다. 특정 레진은 고열변형 온도(HDT)와 같이 내열성을 위해 특별히 설계된 반면, 인장 강도 등 다른 물성을 위해 설계되었지만 높은 HDT를 달성하는 레진도 있습니다.

광경화성 레진 조형 방식의 3D 프린팅은 다양한 환경에서 작동할 수 있는 매끄러운 최종 사용 품질의 파트를 제공합니다. Formlabs는 극한 환경에서 작업하는 고객을 위해 특별히 내열성이 뛰어난 여러 가지 고온 내성 레진를 개발했을 뿐만 아니라 내열성 또한 뛰어난 여러 가지 레진를 개발했습니다.

내열성 3D 프린팅 워크플로우를 위한 레진 프린터를 선택할 때는 열변형 온도(HDT) 외에 어떤 기계적 물성이 중요한지 파악하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 파트의 최종 사용 작동 환경이 200°C인 경우 가장 먼저 평가해야 할 기계적 물성입니다. 최종 사용 작동 환경이 150ºC에 불과하다면 선택할 수 있는 옵션이 더 많아지고 사용 가능한 다른 재료, 표면 마감, 사용 편의성, 가격 등을 기준으로 프린터를 평가할 수 있습니다.

Clear Resin

레진 3D 프린팅은 진정한 의미의 투명한 3D 프린팅 파트를 제작할 수 있는 독보적인 가능성을 제공합니다. 강도와 내구성을 위해 설계된 표준 소재인 Clear Resin 은 내열성이 우수하여 열풍 또는 가스 덕트와 같은 고열 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 0.45MPa에서 73°C의 열변형 온도(HDT)를 가진 이 범용 소재는 기능성 프로토타입 제작에 탁월합니다. Clear Resin은 금형 온도가 약 60°C에 불과하기 때문에 폴리우레탄 성형과 같은 저온 성형 분야에 사용할 수 있습니다.

Tough 2000 Resin

쉽게 구부러지지 않아야 하는 강하고 단단하며 견고한 파트의 시제품 제작에는 Tough 2000 Resin 이 탁월한 선택입니다. ABS의 강도와 강성을 면밀히 시뮬레이션하여 최소한의 처짐이 필요한 지그 및 고정구에 사용할 수 있습니다.

High Temp Resin

광경화성 레진 조형 방식의 매끄러운 표면 마감과 최적화된 물성이 요구되는 고온 응용 분야에는 High Temp Resin 이 적합합니다. 고내열성을 위해 특별히 설계된 레진입니다. 0.45MPa에서 238°C의 열변형 온도(HDT)로 Formlabs 레진 중 가장 높은 성능을 자랑하는 High Temp Resin은 고열 소비자 가전, 뜨거운 공기, 가스 및 유체 흐름의 기능성 프로토타입 제작, 금형 및 인서트 등의 응용 분야에 이상적입니다.  

자체 소화 및 할로겐 무함유로 특별히 설계된 난연 레진 는 UL 94 V-0 인증을 획득하고 화염, 연기 및 독성(FST) 등급이 우수한 광경화성 레진 조형 방식 소재입니다. 고온 또는 점화원이 있는 실내 및 산업 환경에서 장기간 잘 작동하는 난연성, 내열성, 강성 및 크리프 방지 파트를 프린팅하는 데 이상적입니다. 0.45MPa에서 111 ºC의 열변형 온도(HDT)를 가집니다.

Rigid 10K Resin

Rigid 10K Resin 은 다양한 힘, 압력, 토크에도 강하고 단단하며 변형에 강한 고강도 유리충전 소재입니다. 0.45MPa에서 238°C의 열변형 온도(HDT)로 매우 높은 내열성을 제공합니다. 단기 사출 금형 마스터 및 인서트, 공기역학 테스트 모델, 유체에 노출된 지그, 고정구 및 커넥터에 이상적입니다.

Silicone 40A Resin

실리콘의 고성능과 3D 프린팅의 설계 자유도를 결합하여 내화학성 및 내열성(최대 125°C)이 뛰어난 고기능성 실리콘 부품을 제작하는 실리콘 40A 레진 은 최초의 100% 실리콘 3D 프린팅 레진입니다. 0.3mm의 미세한 피처와 기존 방식으로는 불가능한 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다.

Alumina 4N Resin

유일하게 접근 가능한 고성능 기술 세라믹인 알루미나 4N 레진 는 극한 환경을 위한 새로운 3D 프린팅 애플리케이션을 가능하게 합니다. 이 레진으로 프린팅하려면 진정한 세라믹 번아웃을 위한 추가 장비가 필요하지만, 일단 완전히 완성되면 알루미나 4N 레진 파트의 최대 작동 온도는 1500°C입니다. 이 소재를 사용하면 산업용 주조, 성형, 심지어 핵 폐기물 및 액체 금속 취급과 같은 특수 분야에서도 새로운 응용 분야를 개척할 수 있습니다.

_{참고: 모든 소재에 적용할 수 있는 측정 기준이 없으므로 내열성 특성이 다릅니다. 표는 실리콘 40A 레진의 열안전성, 알루미나 4N 레진의 최대 작동 온도, 기타 모든 재료의 열변형 온도 @ 0.45 MPa를 보여줍니다.}

SLS 3D 프린터는 사출 성형품의 강도와 내구성을 갖춘 최종 사용 품질의 파트 제작에 탁월한 성능을 발휘합니다. 파우더 베드의 자립형 특성으로 지지대 없이 파트 프린팅이 가능해 후가공이 빠르고, 광경화성 레진 조형 방식이나 용융 적층 모델링 방식으로 프린팅하기 어려운 형상도 구현할 수 있습니다.

SLS 에코시스템은 파우더를 재활용할 수 있어 파트당 효율은 높이고 비용은 낮출 수 있습니다. SLS 프린터는 다른 기술보다 제작 용량이 큰 경우가 많으며 기술의 자체 지원 특성으로 인해 더 많은 파트를 프린팅할 수 있어 중저용량 생산량 을 달성할 수 있습니다. SLS 소재를 소결하는 데 사용되는 높은 열은 완성된 파트가 높은 내열성을 달성할 수 있음을 의미합니다.

SLS 프린터는 용융 적층 모델링 방식이나 SLA 기술보다 가격이 비쌀 수 있지만, Formlabs Fuse 시리즈 와 같은 옵션을 사용하면 저렴한 가격으로 내열성 SLS 파트를 인하우스에서 생산할 수 있습니다. 프린팅된 파트는 표면 마감이 약간 거칠지만 후처리 솔루션 을 사용하여 쉽게 개선할 수 있습니다.

SLS 3D 프린팅 파우더는 자연적으로 내열성이 있으므로 응용 분야에 더 높은 열변형 온도(HDT)가 필요한 경우 SLS 프린터를 선택할 수 있는 옵션이 크게 제한되지 않습니다. SLS 3D 프린팅에 가장 많이 사용되는 소재는 나일론이며, 대부분의 SLS 프린터 제조업체는 우리에게 친숙한 다양한 열가소성 플라스틱 분말을 제공합니다. 재료는 제조업체마다 공통적인 경우가 많기 때문에 일반적으로 제작량, 가격, 워크플로 및 인프라 요구 사항과 같은 다른 기능이 SLS 3D 프린터 브랜드를 선택할 때 차별화 요소로 작용합니다.

폼랩스 퓨즈 시리즈는 고품질 프로토타이핑과 최종 사용 생산을 모두 지원하는 합리적인 가격의 벤치탑 크기 솔루션을 선보였습니다. 나일론 12, 나일론 11, 나일론 합성 복합재, TPU 및 폴리프로필렌과 같은 다양한 산업 표준 분말을 사용할 수 있으므로 내열성 부품을 생산할 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다.

선택적 레이저 소결 방식에 가장 많이 사용되는 소재는 자외선, 빛, 열, 습기, 용제, 온도 및 물에 강한 고기능성 엔지니어링 열가소성 플라스틱인 나일론입니다. 복잡한 어셈블리와 높은 환경 안정성을 갖춘 내구성 있는 파트에 이상적입니다. 여러 가지 변형 및 합성 복합재 형태로 제공되며, 각각 다른 용도에 맞게 맞춤 제작할 수 있습니다. 다른 인기 있는 SLS 소재로는 내열성이 우수한 연성 폴리프로필렌(PP)과 유연한 TPU가 있습니다.

Nylon 12 Powder

강도와 디테일이 균형을 이루는 Nylon 12 Powder는 기능성 프로토타입, 복잡한 조립품 및 환경 안정성이 높고 내구성이 뛰어난 파트의 최종 사용 제작에 탁월한 성능을 발휘하는 소재입니다. 0.45MPa에서 171°C의 열변형 온도(HDT)를 제공하여 고온 애플리케이션에 가장 적합한 범용 소재 중 하나입니다.

Nylon 12 GF Powder

Nylon 12 GF Powder 는 까다로운 제조 조건을 견딜 수 있도록 변형 시 강성과 내열성이 향상된 유리충전 소재입니다. 고성능 기능성 프로토타입이나 치수 정확도를 유지해야 하는 견고한 최종 사용 파트와 같이 구조적 강성과 열안전성이 중요한 응용 분야에 이상적입니다.

Nylon 11 Powder

Nylon 11 Powder 는 0.45MPa에서 182°C의 열변형 온도(HDT)를 가진 연성 소재입니다. 구부리거나 충격을 받아야 하는 내열성 파트, 기능성 프로토타이핑 및 소량 생산용 3D 프린트에 적합합니다.

Nylon 11 CF Powder

Nylon 11 CF Powder 는 탄소섬유 강화 분말로 고열을 견딜 수 있는 단단하고 강하며 가벼운 파트를 장기간 사용하는 데 이상적입니다. 이 제품은 0.45MPa에서 188°C의 열변형 온도(HDT)를 가지고 있어 Formlabs의 SLS 파우더 중 가장 내열성이 높습니다. 금속 부품의 교체 및 예비 부품과 같이 강도와 강성이 필요한 고열 애플리케이션에 이상적입니다.

Polypropylene Powder

폴리프로필렌 파우더( )는 높은 연성을 제공하여 반복적인 구부림과 휘어짐이 가능하고 불활성 대기 제어 없이도 내구성을 보장하는 정품 폴리프로필렌(PP)입니다. 0.45MPa에서 113°C의 열변형 온도(HDT)로 나일론보다 내열성이 약간 낮지만, 작품과 같은 프로토타입과 내화학성, 용접성, 방수성을 갖춘 내구성이 뛰어난 최종 사용 파트를 생산할 수 있습니다.

TPU 90A Powder

SLS 3D 프린터로 유연한 TPU 파트를 제작하면 비교할 수 없는 설계 자유도를 손쉽게 활용할 수 있습니다. 고무 소재의 내열성, 높은 인열 강도 및 파단 연신율과 SLS 3D 프린팅의 다양성을 결합한 TPU 90A 파우더 는 유연하고 피부에 안전한 프로토타입 및 일상적인 사용 요구를 견디는 최종 사용 파트를 제작하는 데 이상적입니다.

_{참고: 모든 소재에 적용할 수 있는 측정 기준이 없으므로 내열성 특성이 다릅니다. 표는 TPU 90A 파우더의 Vicat 연화점과 다른 모든 소재의 열변형 온도(0.45MPa)를 보여줍니다.}

금속 3D 프린팅은 금속 부품의 강도, 내구성, 내열성과 3D 프린팅의 디자인 자유도를 결합할 수 있다는 점에서 높은 평가를 받고 있습니다. 금속 3D 프린트 부품은 제너레이티브 설계를 통해 부품을 경량화하면 기존 금속 가공 방식으로는 불가능했던 고성능을 구현할 수 있는 항공우주 및 자동차 산업에서 많이 사용되고 있습니다.

금속 또는 금속 복합 소재를 조작, 용융 및/또는 압출하는 데 필요한 높은 전력 입력으로 인해 이러한 금속 프린터는 '보급형'으로 간주되는 한 모델의 가격이 8만 달러가 넘는 등 매우 고가인 경우가 많습니다. 금속 3D 프린트 분야의 업계 리더들은 일반적으로 50만 달러 이상의 고가 장비를 제공하며, 별도의 공간과 전담 작업자 등 공정을 지원하기 위한 광범위한 인프라를 필요로 합니다.

금속 3D 프린터 제조업체는 플라스틱 3D 프린팅에 비해 그 수가 적지만, 금속 부품의 강도와 업계에 익숙한 소재, 3D 프린팅의 설계 가능성을 모두 구현할 수 있는 워크플로에 대한 수요가 증가함에 따라 그 수가 증가하고 있습니다.

이러한 제조업체는 크게 압출과 파우더 베드 퓨전이라는 두 가지 기술로 분류됩니다. 금속 FDM 프린터는 기존 FDM 프린터와 유사하게 작동하지만 이 기기에서는 폴리머 결합제로 응집된 금속봉을 압출합니다. 완성된 '그린(green)' 상태의 파트는 이어서 용해로에서 소결하여 결합제를 제거합니다. 선택적 레이저 용융(SLM) 및 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 방식의 금속 3D 프린터는 SLS 프린터와 유사하게 작동하지만 폴리머 분말을 융합하는 대신 레이저를 사용하여 금속 분말 입자를 한 층씩 융합합니다.

금속 3D 프린팅의 강점 중 하나는 각 소재가 고객에게 친숙하다는 점입니다. 녹여 결합하는 막대 형태부터 소결하여 형태를 만드는 분말까지, 강철이나 알루미늄 같은 금속 소재는 잠재적인 3D 프린팅 사용자가 쉽게 인식하고 이해할 수 있습니다. 가장 많이 사용되는 소재는 항공우주, 자동차, 산업, 농업 및 유틸리티 산업에서 이미 사용되고 있는 금속입니다.

티타늄

티타늄은 내열성이 뛰어난 금속으로 3D 프린팅에 가장 일반적으로 사용되는 합금 중 하나입니다. 부식에 강하고 강도에 비해 무게가 가볍습니다.

스테인리스 스틸

스테인리스 스틸은 눈에 잘 띄는 건축, 디자인, 자동차, 항공우주 분야에서 많이 사용되는 잘 알려진 소재입니다. 3D 프린팅 스테인리스 스틸은 전통적인 제작 방식으로는 몇 주가 소요되는 제조업이나 해상에서 부품을 프린팅하는 해군 선박과 같이 원격지에 있는 애플리케이션의 일회성 교체 파트에 유용할 수 있습니다. 스테인리스 스틸의 융점은 합성 복합재라는 소재의 정확한 배합에 따라 달라지지만 1370°C에서 1530°C 사이입니다. 

알루미늄

알루미늄은 밀도가 낮은 경량 파트에 널리 사용되는 소재입니다. 녹는점이 660°C로 금속 3D 프린트 재료 중 내열성이 가장 낮은 편에 속합니다. 

_{참고: 내열성은 모든 재료의 녹는점을 의미합니다.}