많은 적층 제조 응용 분야에서 3D 프린트 파트의 표면 마감은 기능적 성능만큼이나 중요한 고려 사항입니다. 그러나 육안 평가 및 비교 외에 3D 프린터의 기술 및 브랜드에 따라 표면 마감이 어떻게 다른지에 대한 정량적 정보는 많지 않습니다.

이러한 데이터 부족은 표면 마감의 특정 차이 또는 결함의 정확한 원인을 파악하기 어렵기 때문일 수 있으며, 이는 종종 프린터, 소재, 방향, 후처리 방법의 조합에서 기인합니다.

이 백서에서는 네 가지 3D 프린터의 표면 마감과 다양한 후처리 표준을 정량적으로 비교하여 이러한 격차를 해소하고자 합니다. 선정된 네 가지 기술은 최종 사용 제조에 가장 많이 사용되는 네 가지 3D 프린터입니다.

• Formlabs Fuse 시리즈 선택적 레이저 소결(SLS) 프린터, Nylon 12 Powder 로 프린팅 후 미디어 블라스팅(표준) 및 폴리싱(추가) 후처리 방식 모두 적용

• EOS 선택적 레이저 소결(SLS) 프린터, Nylon 12 Powder로 프린팅 후 미디어 블라스팅(표준) 및 폴리싱(추가) 후처리 방식 모두 적용

• HP 5600 시리즈 멀티젯 퓨전(MJF) 프린터, Nylon 12로 프린팅 후 미디어 블라스팅(표준) 및 폴리싱(추가) 후처리 방식 모두 적용

• Formlabs Form 4 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 프린터, Tough 2000 Resin 으로 프린팅 후 세척 및 경화(표준) 후처리 적용.

각 기술에 대해 선택한 소재는 최종 소비재에 가장 일반적으로 사용되며 서로 가장 유사한 소재입니다.

표면 마감의 주요 차별화 요소는 선택한 기술보다는 후처리 정도 또는 방법입니다. 분말 베드 융합 기술을 위한 미디어 블라스팅과 세척, 레진 기술을 사용한 경화 등 '표준' 후처리 수준에서 레진 3D 프린터는 가장 매끄러운 표면 조도를 보인 반면, EOS SLS 프린터는 표면 거칠기가 가장 높은 파트를 제작했습니다. 텀블링 또는 Fuse Blast Polishing System(이하 Fuse Polish)을 사용하는 등의 추가 후처리를 통해 SLS와 MJF 파트 모두 크게 개선되었으며, Fuse Polish는 SLA 파트에 뒤지지 않는 가장 매끄러운 마감으로 파트를 처리할 수 있었습니다. 아래 표와 그래프는 테스트 결과를 보여주는데, Ra가 낮을수록 표면이 매끄러운 것을 의미합니다.

3D 프린팅 파트의 표면 마감을 육안으로 평가하는 것만으로도 사용 목적에 맞는지 판단할 수 있는 경우가 많습니다. 그러나 표면 거칠기를 측정하는 데이터는 여러 가지 프린트물과 프린터에서 특정 기술의 평균 성능을 결정하는 데 매우 유용할 수 있습니다.

표면 마감과 표면 거칠기는 종종 같은 의미로 사용됩니다. 특히 분말 베드 기술로 생산되는 파트의 경우, 표면 거칠기는 '고품질' 표면 마감을 생성하는 기술의 성능을 결정하는 주요 지표입니다.

표면의 거칠기를 측정하는 가장 일반적인 방법은 표면 프로파일로미터(접촉 프로파일로미터라고도 함)를 사용하는 것입니다. 이 방법은 프로브를 표면에 대고 직선으로 당겨서 프로브가 위아래로 움직이면서 표면의 프로파일을 생성합니다.

그런 다음 프로브에서 측정한 값을 플롯하여 Ra와 Rz를 찾습니다.

• Ra는 해당 선을 따라 표면의 평균 편차를 측정한 값입니다.
• Rz는 피크(선의 고점)와 저점(선의 저점) 사이의 가장 큰 차이를 측정한 값입니다. 

표면 거칠기를 측정하는 다른 방법으로 광학 프로파일 측정, 고대비 사진 촬영, SEM 현미경 사용 세 가지를 실험에 이용했습니다. 이 백서의 주요 결과는 표면 프로파일로미터 측정값에서 가져온 것이지만, 이러한 보충 측정값은 세부 결과에 포함되어 있으며 추가적인 맥락과 증거를 제공할 수 있습니다.

이 연구를 위해 선택한 4가지 프린터는 고속 프로토타이핑이나 공장 현장의 주문형 지그 및 픽스처가 아닌 산업용 또는 최종 사용 애플리케이션에 가장 일반적으로 사용되는 프린터입니다.

Fuse 1+ 30W 프린터는 가장 널리 사용되는 분말 베드 기술 프린터로, 전 세계에서 판매되는 분말 베드 프린터의 절반 이상을 차지합니다. 전체 에코시스템 비용이 약 5만 달러이고 설치 공간이 약 100제곱피트(10평방미터)로 접근성이 가장 우수한 산업 옵션입니다. 다음으로 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 분말 베드 퓨전 3D 프린터는 HP MJF 시리즈와 EOS SLS 프린터입니다. 이 두 가지 옵션은 일반적으로 20만~50만 달러의 비용이 들며, 광범위한 인프라가 필요하고 설치 공간도 많이 차지합니다.

MJF 기술은 용융제와 복사열을 사용하여 분말 입자를 서로 융합하는 반면, SLS 기술은 고출력 레이저를 사용하여 분말 입자를 녹여 융합합니다. MJF 기술은 휴렛팩커드(HP)에서 특허를 보유하고 있으며, Formlabs와 EOS를 비롯한 여러 회사에서 SLS 3D 프린터를 제공합니다.

이번 연구의 네 번째 프린터는 Formlabs의 Form 4 SLA 데스크톱 3D 프린터입니다. 세 가지 분말 베드 기술 프린터와는 매우 다른 공정이지만 Form 4 파트는 최종 사용 분야에서도 자주 사용되며 표면 마감은 사출 성형 플라스틱에 가장 가까운 것으로 간주됩니다.

Formlabs는 EOS 및 HP 프린터의 운영업체가 아니기 때문에 이러한 파트는 해당 서비스 대행업체에 주문하여 해당 장비에서 프린팅하고 지침에 따라 후처리한 다음 분석을 위해 Formlabs로 다시 배송했습니다.

평가한 네 가지 기술 각각에 대해 최종 사용 제품 애플리케이션에 가장 일반적으로 사용되는 소재를 선택했습니다. 각 소재에 대해 프린팅 후 각 파트는 '표준' 및 '추가' 후처리 단계를 거쳐 처리했습니다. 이 단계는 제조업체에서 재료 마감을 위해 권장하는 단계입니다.

Fuse 시리즈 Nylon 12 Powder의 경우:

• 표준 - Fuse Blast를 사용하여 자동으로 미디어 블라스팅 진행

• 추가 - Fuse Polish를 사용하여 자동으로 광택 작업 진행

EOS P396 PA2200 Nylon 12의 경우:

• 표준 - 미디어 블라스팅을 수동으로 진행하여 미세 먼지 제거

• 추가 - 진동 텀블링

HP Jet Fusion PA12의 경우:

• 표준 - 분말을 털어낸 후 미디어 블라스팅을 통한 분말 제거

• 추가 - 진동 텀블링

Form 4 Tough 2000 Resin의 경우:

• 표준 - Form Wash 및 Form Cure를 사용한 세척 및 경화

• 추가 - SLA에 대한 추가 후처리 권장 표준이 없음

대표 데이터를 수집하기 위해서는 파트의 선택이 매우 중요했습니다. 3D 프린팅 파트의 표면 마감에는 다음과 같은 여러 요인이 영향을 미칩니다.

• 방향 지정

• 서포트

• 곡선형 기능/스텝

• 특정 형상(예: 매우 얇은 벽 또는 핀)

• 후처리 방법

• 프린트물 결함

이 연구를 위해 선택한 모델인 브레이크 캘리퍼는 모든 주요 평면에 큰 평평한 표면, 4개의 각진 평면 표면, 여러 경사진 표면이 있으며, 모두 고품질 데이터를 얻을 수 있을 만큼 충분히 큰 것이 특징입니다. 각 프린터에서 파트의 방향을 동일하게 유지하면 필요에 따라 다른 피처가 해결됩니다.

세 가지 분말 베드 기술(Fuse 시리즈, EOS, HP) 프린터는 모두 가장 일반적으로 사용되는 SLS/MJF 소재인 Nylon 12 분말을 사용했습니다. Form 4 SLA 프린터는 유사한 용도로 자주 사용되는 나일론과 비교하기 좋은 Formlabs의 독자적인 소재인 Tough 2000 Resin을 사용했습니다.

Fuse 시리즈와 Form 4 파트는 Formlabs에서 인하우스 프린팅 및 후가공을 진행했고, HP와 EOS 파트는 3DPX와 Materialise에서 프린팅 및 후처리했습니다.

다음 결과는 제조업체에서 권장하는 '표준' 표면 마감 공정을 거쳤을 때 파트 간 비교를 자세히 보여줍니다. 추가 후처리가 필요 없는 SLA의 파트는 SLS 및 MJF 프린트 파트보다 훨씬 더 매끄럽습니다. MJF 파트 역시 SLS 프린팅 파트보다 매끄러웠으며, 두 가지 SLS 기술(EOS 및 Formlabs Fuse 1+ 30W)은 평균적으로 비교적 유사한 결과를 제공했습니다. 이는 정확한 표면과 방향에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 수직으로 평평한 표면인 S1은 각 소재 간에 훨씬 더 큰 차이를 보이며, Fuse 1+ 30W가 EOS 파트보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘하고 품질 면에서는 MJF 파트에 훨씬 가깝습니다.

이 이미지를 자세히 살펴보면 표면 마감에 대한 몇 가지 핵심 사항을 알 수 있습니다. 특히 곡면은 이러한 파트가 프린팅될 때 발생하는 계단 현상을 보여줍니다. 대부분의 경우 100 µm 단계로 표시되지만, 경우에 따라 부드럽게 표시되는 경우도 있습니다. 반면 카메라를 직접 향하는 평평한 면은 수직으로 향하는 표면을 보여줍니다. Tough 2000 Resin 파트에서는 표면이 거의 유리처럼 매끄러워 보이지만 EOS와 Fuse 시리즈 표면에서는 거칠기가 많이 보입니다. HP 파트는 거의 천처럼 보이는 표면으로 차이를 다소 나눕니다.

다음 결과에서 추가 표면 마감 공정을 거친 파트를 자세히 비교하여 보여줍니다. Fuse 1+ 30W로 인하우스에서 프린팅하는 파트와 서비스 대행업체에 아웃소싱하는 파트에는 차이가 있지만, 파트의 표면 마감이 중요한 경우 널리 채택되는 후처리 방식입니다.

• Fuse 시리즈 SLS 파트: Formlabs의 Fuse Blast Polishing System을 사용한 자동 '연마'

• 아웃소싱 EOS 파트: 진동 텀블링

• 아웃소싱 HP 파트: 진동 텀블링

• Form 4 SLA 파트: 이 부품은 일반적으로 표준 가공 후 매우 매끄럽기 때문에 추가로 권장되는 표면 마감이 없습니다.

후처리가 평균 표면 마감에 얼마나 큰 영향을 미치는지 알 수 있습니다. 폴리싱 루틴을 실행한 후 Fuse 1+ 30W에서 프린팅된 Nylon 12 Powder의 매끄러움은 극적으로 개선되어 HP PA12와 거의 동등한 수준입니다.

세 가지 분말 베드 기술(Fuse 시리즈, EOS, HP)의 '추가' 후처리 전과 후의 파트는 아래와 같습니다. SLA 3D 프린트 파트에는 '추가' 후처리 버전이 없으므로 비교는 표시되지 않습니다.

아래는 측정된 각 재료에 대한 자세한 결과입니다. 시각적 참조를 위한 부품의 전체 크기 이미지, 부품을 따라 더 구체적으로 볼 수 있는 고해상도 클로즈업, 각 부품의 최고 및 최저 측정값 표, 가능한 경우 SEM 이미지 또는 불가능한 경우 광학 현미경 이미지, 부품의 표면 프로파일이 포함되어 있습니다. 표면 프로파일의 경우 빨간색과 파란색의 한계는 평균 높이에서 +75µm 또는 -75µm로 동일하게 유지된다는 점에 유의하세요.

이러한 비교에서 주의해야 할 주요 사항으로는 이미지를 확대하여 거칠기의 시각적 모양을 잘 파악하고, SEM 현미경을 통해 느슨한 재료와 부분적으로 소결된 분말이 얼마나 많은 미세 구조 변화를 일으키는지 확인하고, 거칠기 맵을 통해 각 그래프에 빨간색/파란색이 얼마나 나타나는지 확인하여 표면의 어느 정도 변화와 상관관계가 있는지 살펴보는 것이 있습니다.

이 연구는 SLS와 MJF 기술로 프린트한 파트가 매우 유사한 표면 거칠기를 얻을 수 있음을 보여줍니다. Formlabs Fuse 1+ 30W의 Nylon 12 Powder로 프린트된 파트는 EOS PA2200 Nylon 12로 EOS SLS 프린터로 프린트된 파트보다 다소 매끄럽지만, 추가 후처리(각각 Fuse Polishing System과 텀블링 처리)를 거치면 둘은 매우 유사합니다.

프린터에서 직접 HP 프린터로 프린팅한 MJF 파트의 표면 마감이 가장 매끄럽지만, 평균적으로 약 0.2µm 차이에 불과하며 후처리를 통해 그 차이가 더욱 완화됩니다.

Formlabs의 Fuse Blast Polishing System 도입과 같은 에코시스템 추가 기능을 통해 사용자는 기존에는 수십만 달러 이상의 비용이 드는 시스템에서만 가능했던 파트 표면 품질을 달성할 수 있습니다. 이와 같은 후처리 단계와 프린트 공정 개선이 결합된 접근 가능한 SLS 프린터 시스템은 다음과 같이 매우 경쟁력 있는 표면 마감의 파트를 생산할 수 있습니다.
광택 처리 시 하이엔드에서 4.3 µm Ra ~ 8.9 µm Ra.

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