나일론 3D 프린xld 가이드: 프로세스, 재료 및 응용 분야 비교

폴리아미드 또는 PA로도 알려진 나일론은 1938년 상업적으로 처음 등장한 이래 다양한 용도 덕분에 제조업체, 엔지니어 및 디자이너에게 인기 있는 소재입니다. 나일론은 강도, 내구성, 인성, 탄성뿐만 아니라 열, 화학물질, 마모, 충격에 대한 저항성이 뛰어나 다양한 산업 분야에서 높은 채택률을 보이고 있습니다.

나일론은 또한 전자, 자동차, 항공우주, 의료 기기, 소비재 등을 위한 기능성 프로토타입 및 최종 사용 부품 등 견고한 기능성 부품을 생산하는 데 가장 많이 사용되는 3D 프린팅 소재 중 하나입니다.

나일론으로 3D 프린트가 가능한 적층 제조 공정으로는 선택적 레이저 소결 방식(SLS), 멀티 제트 융합 방식(MJF), 용융 적층 모델링 방식(FDM)이 있습니다. 올바른 제품을 선택하려면 나일론 3D 프린트 공정과 소재에 대한 철저한 이해가 필요합니다. 다행히도 저희가 이 종합 가이드를 만들었습니다.

나일론은 1938년 칫솔에 처음 상업적으로 사용되었지만, 1939년 만국박람회에서 새로운 종류의 여성용 스타킹의 주요 소재로 사용되면서 "나일론"이라는 이름으로 널리 알려지게 되었습니다. 탄성, 내구성, 내마모성 등 섬유의 소재로서 나일론을 매력적으로 만드는 특성으로 인해 항공우주 및 자동차 제조업체, 소비재 회사, 그리고 내구성이 좋은 플라스틱 파트를 생산해야 하는 모든 기업이 나일론을 유용하게 사용해 왔습니다.

오늘날 나일론은 주거용 및 상업용 환기 시스템부터 낚시 장비, 배터리 하우징에 이르기까지 모든 분야에서 사용되고 있습니다. '제2차 세계대전에서 승리한 소재'에서 일상적인 용도로 성장하면서 혁신적인 화학자와 제조업체는 나일론의 용도를 계속 확장해 나갔습니다.

와셔, 볼트, 베어링, 기어와 같은 일반적인 도구는 가구와 스포츠 장비부터 자동차, 비행기에 이르기까지 모든 곳에서 찾아볼 수 있습니다. 식품 포장에 나일론을 사용하는 경우도 종종 있습니다. 나일론의 온도와 전기 저항으로 인해 제조업체는 전자 장치를 인하우스하고 엔진 컴포넌트를 보호하며 하이엔드 엔지니어링 애플리케이션을 지원하기 위해 나일론 소재를 선택하는 경우가 많습니다. 예를 들어 자동차의 흡기 매니폴드는 대부분의 전동 공구의 하우징과 마찬가지로 나일론으로 제작되는 경우가 많습니다.

나일론은 전 세계 모든 합성 섬유의 약 12%를 차지하며 많은 직물, 카펫, 로프, 그물 등에 사용되는 주요 소재입니다.

나일론은 폴리아미드(PA)의 상품명으로, 이산 단량체와 디아민 단량체 사이에 아미드 연결 고리가 만들어질 때 만들어지는 엔지니어링 열가소성 플라스틱의 일종입니다. 폴리아미드의 결정 구조는 높은 수준의 등방성 및 내화학성을 제공합니다. 나일론의 종류에 따라 특성이 다르지만 나일론은 일반적으로 강도, 높은 내화학성, 내구성, 치수 안정성 및 내열성으로 잘 알려져 있습니다.

나일론은 안정적이고 비교적 작업하기 쉽기 때문에 제조업체는 나일론으로 제품을 만들기 위해 다양한 기술을 활용합니다. 나일론 파트는 사출 성형, 압출, 그리고 이제 3D 프린팅과 같은 다양한 제조 공정을 사용하여 만들 수 있습니다.

당연히 적층 제조의 인기와 활용도가 높아지면서 나일론 3D 프린팅은 혁신의 주요 초점이 되었습니다. 3D 프린팅 나일론은 기능성 프로토타입, 최종 사용 제조 및 맞춤형 파트에 가치를 제공합니다. 세계 유수의 3D 프린터 제조업체는 고객이 나일론을 3D 프린트할 수 있는 시스템을 개발했습니다.

나일론 3D 프린트에 가장 많이 사용되는 폴리아미드는 PA-6, PA-66, PA-11 및 PA-12 4가지 종류가 있습니다. 나일론 3D 프린트 재료는 유리나 탄소 섬유와 같은 다른 재료로 보강하여 강도나 뒤틀림 없는 등 특정 치수에서 성능을 높이거나 난연성, 정전기 분산과 같은 특정 특성을 불어넣을 수 있습니다.

많은 나일론 부품, 특히 유리로 강화된 부품은 금속 자동차, 항공우주 또는 소비재 부품을 대체할 수 있습니다. 또한 나일론은 전기 절연 특성으로 인해 전기 튜브와 회로 차단기와 같은 인클로저에 자주 사용됩니다. 피마자유에서 바이오 엔지니어링한 나일론 11과 같이 특정 나일론은 높은 탄성과 굽힘 강도를 보여줍니다.

나일론은 내마모성이 뛰어나 베어링, 스냅, 버클과 같은 용도에 유용합니다. 마찬가지로 나일론은 다른 열가소성 플라스틱에 비해 시간이 지나도 성능 특성이 매우 잘 유지됩니다. 이러한 나일론의 장점으로 인해 소재의 성능 저하 없이 제조 효율성을 개선하기 위한 나일론 3D 프린팅 기술에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

SLS 3D 프린터는 고출력 레이저를 사용하여 폴리머 분말의 작은 입자를 용융합니다. 프린트를 진행하는 동안 용융되지 않은 분말이 파트를 지지하므로 전용 서포트 구조가 필요하지 않습니다. 따라서, SLS는 내부 피처가 있는 구조, 언더컷, 박벽, 안쪽으로 함몰된 형태를 비롯하여 복잡한 형태를 프린팅하는 데 이상적으로 사용하실 수 있습니다. SLS 프린팅으로 생산된 파트는 강도가 사출 성형 파트와 유사하며 기계적 특성이 우수합니다.

나일론은 SLS 3D 프린팅에 사용되는 주요 소재입니다. 적층 제조를 사용하여 나일론의 장점을 활용하고자 하는 대부분의 기업과 개인에게 SLS 3D 프린터는 경제성과 기능의 균형을 가장 잘 맞출 수 있는 제품일 것입니다.

SLS 프린팅이 완료되면 사용자는 빌드 챔버 전체를 비우고 사용하지 않은 분말에서 프린팅된 파트를 추출하여 재활용함으로써 폐기물을 최소화할 수 있습니다. 추가 SLS 후처리 기술은 SLS 3D 프린트 나일론 파트의 표면 품질, 색상 또는 전도도를 변경할 수 있습니다.

SLS 3D 프린팅은 20만 달러에 달하는 지나치게 비싼 가격으로 인해 분말 기반 나일론 3D 프린팅 공정은 대행업체와 대기업으로 제한되어 있었습니다. 최근에는 최신 산업용 등급 벤치탑 SLS 3D 프린터 Formlabs Fuse 시리즈를 통해 3만 달러 미만의 가격으로 SLS 기술로 나일론 3D 프린팅의 이점을 실현할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 진입 장벽이 크게 낮아졌고, 다른 방법으로는 시작하기 어려웠던 중소기업을 포함하여 더 많은 기업이 제품과 워크플로에 3D 프린트 나일론을 사용할 수 있게 되었습니다.

SLS 3D 프린팅 시스템의 나일론 3D 프린트 파트는 등방성에 가깝기 때문에 모든 축에서 응력 하에서 유사한 재료 특성을 나타냅니다. 중요한 것은 나일론으로 3D 프린트를 해야 하는 많은 이유, 특히 소재의 강도와 내구성 등의 장점은 파트의 등방성이 높아야만 실현할 수 있다는 점입니다. FDM 프린터는 등방성 파트를 생성하지 못하고 허용 가능한 수준의 디테일을 구현하는 데 어려움을 겪는 경우가 많기 때문에 많은 사용자에게 SLS 또는 MJF가 유일한 옵션입니다. 그러나 MJF와 많은 기존 SLS 옵션은 엄청나게 비쌉니다.

또한 스냅핏 인클로저 및 전기 하우징과 같이 나일론에 이상적으로 적합한 많은 파트는 SLS 또는 MJF 3D 프린터로 생산된 부품에서만 볼 수 있는 중간 수준에서 높은 수준의 디테일을 필요로 합니다.

나일론 12와 나일론 11은 SLS 3D 프린트를 위한 가장 일반적인 단일 성분 분말입니다. Nylon 12는 거의 모든 SLS 3D 프린터와 호환되는 대표적인 소재인 반면, Nylon 11은 프린팅에 약간 더 복잡한 인프라가 필요합니다.

두 가지 변형 모두 유리나 탄소 섬유와 같은 다른 재료로 보강하여 강도와 뒤틀림 없는 등 특정 특성을 가진 복합 소재를 만들 수도 있지만, 이러한 틈새 소재의 사용 가능 여부는 프린터 유형에 따라 크게 달라집니다.

시중에는 다양한 SLS 프린터 옵션이 존재하기 때문에 SLS로 나일론을 프린팅할 때 사용할 수 있는 단일 지침은 없습니다. 일반적으로 더 크고 비싼 SLS 프린팅 시스템일수록 특별히 규제된 물리적 공간, 특수한 전력 인프라, 3D 프린터 제조업체에서 제공하는 광범위한 교육 과정을 이수한 인하우스 3D 프린터 기술자가 필요할 수 있습니다.

반면 Formlabs Fuse 시리즈와 같은 플러그 앤 프린트 옵션은 일반 작업장 환경에서 사용할 수 있고 최소한의 교육만으로 작동할 수 있으며 설치 공간이 비교적 작습니다. Fuse 시리즈 프린터에는 파트 추출과 분말 회수, 보관과 혼합을 단일 독립형 장치에서 진행할 수 있는 Fuse Sift와 완전 자동화 청소 및 폴리싱 솔루션 Fuse Blast 또한 함께 제공해드려 다양한 기술이 밀집되어 있지만 정돈된 에코시스템을 형성하고 종단간에 분말을 처리할 수 있습니다.

Formlabs의 Fuse 시리즈 SLS 3D 프린터의 워크플로에서는 프린터와 함께 제공되는 후처리 장치를 철저히 세척한 후 나일론 분말을 비교적 쉽게 교체할 수 있습니다. Fuse 시리즈에서는 재료를 교체하는 데 3시간도 채 걸리지 않으므로 새로운 나일론 분말을 시도하는 것이 불가능하거나 엄청나게 비쌀 필요는 없습니다. Fuse 시리즈와 Fuse Sift를 사용하면 완전히 새로운 에코시스템을 구매하지 않고도 새로운 자료를 사용해 볼 수 있습니다.

멀티 젯 퓨전 3D 프린팅은 분말 베드 퓨전 적층 제조 공정으로, 약간 다른 공정을 사용하여 SLS와 유사한 파트를 생산합니다. 파트를 형성하기 위해 프린터는 여러 개의 작은 노즐에서 액체 결합제를 분말 베드에 분사하여 분말을 반고체 상태로 만든 후 열로 공정을 마무리합니다. 그런 다음 적외선 열원이 반고체 십자 모양을 경화시킨 후 다른 분말 층이 증착되고 이 과정이 반복됩니다. MJF는 2016년에 휴렛팩커드에 의해 특허를 받았으며, HP는 여전히 유일한 MJF 3D 프린터 공급업체입니다.

MJF 프린터는 비교적 빠르지만, 일반적으로 빌드 플랫폼이 프린팅 완료에 필요한 시간보다 약 2배 정도 더 오래 냉각되어야 합니다. MJF 공정은 프린팅을 위해 빌드 플랫폼에 파트를 밀집시킬 수 없기 때문에 SLS 기술보다 효율성이 떨어지고 폐기물이 더 많이 발생합니다.

SLS 3D 프린터는 더 저렴해졌지만, MJF 3D 프린터의 가격은 약 35만 달러에서 60만 달러 이상입니다. 그 결과 주로 포춘 500대 기업의 서비스 대행업체와 대규모 인하우스 적층 제조 연구소에서 사용하고 있습니다.

두 기술에 대한 심층적인 비교는 MFJ vs. SLS 가이드를 확인해 보세요.

MJF와 SLS는 많은 장점을 공유합니다. 두 프로세스 모두 지원 구조가 생성되므로 사용자는 복잡하고 비용이 많이 드는 사후 처리 단계를 거치지 않아도 됩니다. SLS와 마찬가지로 MJF 프린터를 사용하여 나일론 파트를 3D 프린트하면 표면 조도가 우수하고 등방성 재료 특성을 가진 파트를 제작할 수 있습니다.

MJF 3D 프린터는 SLS 3D 프린터와 마찬가지로 나일론 12 및 나일론 11 분말를 사용하여 파트를 생산합니다. HP는 강성을 높이기 위해 유리 강화 나일론 12도 제공하지만, 현재 MJF 3D 프린트를 위한 탄소 섬유 강화 나일론 옵션은 없습니다.

인하우스에서 MJF 기술을 실행하려면 숙련된 3D 프린팅 기술자가 필요합니다. 또한 프린터를 설치하고 유지 관리하려면 전문 기술자가 필요합니다. HP MJF 프린터는 특수 전력 인프라와 장비의 큰 설치 공간을 수용할 수 있는 넓은 전용 공간이 필요합니다. SLS 프린터와 마찬가지로 MJF 프린터 솔루션에는 분말 관리 및 파트 회수를 위한 추가 후처리 하드웨어가 포함되어 있습니다.

용융 적층 모델링(FDM) 방식은 융합 필라멘트 제조(FFF) 방식으로도 불리고 일반 소비자 시장에서는 가장 보편적으로 사용되는 3D 프린팅 공정 방식입니다. 취미용 3D 프린터의 출현에 힘입어 인기를 얻는 공정입니다. 3D 프린터는 프린터 노즐을 통해 열가소성 플라스틱 필라멘트를 녹여 압출하고 필라멘트를 빌드 영역에 층층이 쌓아 올려 파트를 제작합니다.

FDM 3D 프린터는 일반적으로 PLA 및 ABS 필라멘트를 사용하지만 전문가에게 더 적합한 FDM 기계는 종종 나일론도 프린트할 수 있습니다. 그러나 FDM 프린터가 전반적으로 나일론의 모든 이점을 활용하는 파트를 생산하는 데 어려움을 겪고 있기 때문에 FDM 기술의 장점과 단점은 여전히 사실입니다.

FDM 프린트는 Z축을 따라 등방성이 아니기 때문에 FDM을 사용하여 나일론을 3D 프린트할 때 나일론의 많은 강도 관련 이점을 얻을 수 없습니다. FDM 방식으로 프린팅된 나일론도 ABS와 마찬가지로 뒤틀리는 경향이 있습니다.

또한 나일론은 흡습성이 강하기 때문에 장시간 인쇄하는 동안 나일론 필라멘트가 물을 흡수하여 이후 단계에 인쇄되는 레이어가 첫 번째 레이어보다 품질이 떨어질 수 있습니다. 프린팅하는 동안 필라멘트가 물을 흡수하지 않도록 드라이 박스와 같은 액세서리를 사용하는 것이 좋습니다.

다른 재료를 사용한 용융 적층 모델링 방식과 마찬가지로, 나일론 3D 프린트의 최적 설정을 파악하려면 일반적으로 광범위한 테스트가 필요합니다. 따라서 반복 가능한 공정을 개발하고 다양한 유형의 나일론 3D 프린트 재료에서 일관된 결과를 생성하는 것은 어려울 수 있습니다. 완성된 파트의 강도 및 정확도를 포함한 특성은 다를 수 있으므로 FDM은 광범위한 기능성 프로토타입 제작이나 나일론을 사용한 최종 사용 생산에는 권장되지 않습니다.

FDM 프린팅은 일회성 및 간단한 나일론 파트를 빠르게 프린팅하는 데는 좋은 옵션이지만 복잡한 파트나 대량 생산에는 적합하지 않습니다. 또한 서포트 구조를 사용하기 때문에 SLS 또는 MJF 프린팅보다 훨씬 더 많은 폐기물을 발생시킵니다.

나일론 필라멘트는 프린팅이 조금 더 쉬운 나일론 6과 나일론 66을 가장 일반적으로 사용하지만, 나일론 12 필라멘트도 있습니다. FDM 프린팅에 적합한 대부분의 나일론은 유리 및 탄소 섬유 강화 버전으로 제공되며, 이를 통해 강성, 강도 및 기타 중요한 기계적 물성을 향상시킬 수 있습니다.

현재 FDM 시장의 옵션 중 합리적인 가격대의 많은 모델에는 수령 즉시 나일론을 3D 프린트할 수 있는 기능이 탑재되어 있습니다. 그러나 이러한 모델을 사용하더라도 사용자는 하드웨어 설정 및 프린팅 프로세스가 3D 프린트 나일론을 지원하는지 확인해야 합니다.

FDM을 사용하여 나일론을 3D 프린트하기 위한 하드웨어 및 설정 권장 사항:

• 모든 금속 핫 엔드
• 필라멘트를 250°C 이상으로 가열하는 기능
• 접착제가 도포된 가열 프린트 베드(유리 베드가 이상적)
• 뒤틀림을 방지하는 밀폐형 인클로저
• 최적의 결과를 얻기 위한 필라멘트 건조 시스템

나일론은 수분 흡수율이 높기 때문에 필라멘트 스풀은 플라스틱 밀폐 용기에 보관해야 하며, 나일론으로 인쇄하기 전에 건조제를 사용하면 안정성과 품질을 높일 수 있습니다.