선택적 레이저 소결(SLS )은 레이저를 사용하여 분말 재료를 소결하여 파트를 층층이 쌓아 올리는 대표적인 3D 프린트 기술입니다. SLS는 특히 복잡한 설계로 내구성 있고 기능적인 부품을 생산할 수 있어 다양한 산업 분야의 최종 사용 애플리케이션에 이상적이라는 평가를 받고 있습니다.

SLS 3D 프린팅이 최종 사용 생산에 점점 더 많이 사용됨에 따라 프린팅된 파트의 장기적인 성능을 이해하는 것이 중요해졌습니다. 최종 사용 컴포넌트는 자외선(UV), 온도 변화, 기계적 스트레스에 노출되는 등 열악한 환경 조건에 노출되는 경우가 많습니다. 재료가 이러한 요소에 어떻게 반응하는지 평가하는 것은 신뢰성과 안전성을 보장하는 데 필수적입니다.

이 연구에서는 가속 풍화를 사용하여 Formlabs Nylon 12 Powder 및 Nylon 12 Tough Powder의 장기적인 환경 내구성을 평가합니다. 목표는 자외선, 열, 습기에 장기간 노출되는 것을 시뮬레이션하여 기계적, 시각적, 치수 특성이 시간에 따라 어떻게 변하는지를 평가하는 것입니다. 이 접근 방식은 산업 전반에서 사용되는 표준 테스트 방법을 따르기 때문에 기존 열가소성 플라스틱과 비교할 수 있는 결과를 제공합니다.

에이징은 인증된 독립 연구소인 Applied Technical Services(ATS)에서 ASTM D4329-21, 사이클 A 를 사용하여 수행했습니다. 이 표준은 태양광의 전체 스펙트럼(자외선, 가시광선, 적외선)을 시뮬레이션하고 물 분무를 통한 수분 사이클을 포함하는 제논 아크 광원을 사용하여 플라스틱의 가속 풍화 절차를 설명합니다. 이 테스트 주기는 플라스틱 및 자동차 업계에서 장기적인 실외 내구성 예측을 위한 검증된 방법으로 널리 인정받고 있습니다. 이후 노화된 시편은 Formlabs에서 보정된 자동 인장 시험기로 시험한 후 분광광도계로 측정 및 분석했습니다.

ASTM D4329-21, 사이클 A에 따른 노출 매개변수:

• 340nm에서의 일반적인 조도는 0.89W/(m2.nm)입니다.

• 60°C에서 온도를 제어하는 비절연 블랙 패널로 8시간 UV 차단

• 50°C에서 온도를 제어하는 비절연 블랙 패널로 4시간 응결 방지
   

장비

• ATS: 자외선 챔버(Q-Lab), 시계 벽, 방사선계

• Formlabs: 랩스큐브 자동 인장 시험기, X-Rite 분광광도계

48개의 샘플 파트는 표준 ASTM Type I 인장 바 형상을 사용하여 Formlabs Fuse 시리즈 3D 프린터 에서 3D 프린트로 제작되었습니다. 24개의 샘플 파트는 Formlabs의 기본 프린트 설정을 사용하여 Nylon 12 Powder로, 24개의 샘플 파트는 Nylon 12 Tough Powder로 프린트했습니다.

기계적 테스트:

기계적 물성은 0, 200, 400, 600, 800, 1000시간 노출의 6가지 간격으로 테스트했습니다. 각 분말의 샘플 파트 4개를 각 간격마다 제거했습니다. 각 테스트는 로트 간 잠재적 편차를 제거하기 위해 동일한 분말 배치에서 동일한 빌드에서 모든 파트를 X 방향으로 프린팅하여 다음과 같은 특성을 측정했습니다:

• 인장 탄성 계수(MPa): 재료의 강성과 응력 하에서 변형에 견딜 수 있는 정도를 측정합니다.

• 극한 인장 강도(UTS)(MPa): 재료의 강도를 반영하며 재료가 부러지기 시작하기 전에 재료가 늘어나는 동안 견딜 수 있는 최대 응력을 측정합니다.

• 파단 시 연신율(EAB)(%)(X/Y): 소재의 연신율과 파단되기 전에 얼마나 늘어날 수 있는지를 측정합니다.

테스트는 표준 인장 프로토콜에 따라 실온에서 수행되었습니다. 작업자 오류를 최소화하기 위해 자동 인장 시험기를 사용했으며, 테스트 신뢰성을 보장하기 위해 테스트 전 이틀 동안 25°C, 상대 습도 50%에서 파트를 컨디셔닝했습니다.

육안 및 분광 검사

각 샘플 파트는 노출 전후로 사진을 촬영하여 황변이나 변색, 표면 질감 변화와 같은 눈에 보이는 변화를 기록했습니다. 이 정성적 데이터는 기계적 테스트 결과를 보완하고 시간이 지남에 따라 파트의 심미성을 결정하는 데 도움이 됩니다. 

모든 샘플 파트의 색상은 X-Rite 분광광도계를 사용하여 측정했습니다. 색상 측정은 CIELAB(L*a*b*) 색 공간 에서 수행되며, 원본 프린팅 파트와 노화된 샘플 파트 간에 Delta E 2000 차이가 계산됩니다. Delta E 2000(DE00)은 색차에 대한 가장 진보된 수학적 근사치로, 사람의 눈으로 인식할 수 있는 것과 매우 근접한 근사치를 제공합니다. 일반적으로 DE00 1은 사람의 눈으로 인식할 수 있는 색상 차이의 한계입니다.

차원 속성

치수 변화는 특정 기준 없이 측정되었습니다. 결과는 양쪽 빌드 방향의 백분율 변화로 보고됩니다.

자외선 내후성 외에도 저온 성능은 최종 사용 애플리케이션, 특히 냉각식 또는 극한의 실외 애플리케이션(예: 우주 비행 또는 극저온 장비)에서 핵심적으로 고려해야 할 사항입니다. 별도의 실험실에서 극한의 추위에서 소재 성능을 평가하기 위해 Nylon 12 Powder에 대한 저온 테스트를 실시했습니다. 테스트는 ASTM D638-22 표준 테스트 방법에 따라 ISO 170250-2017을 준수했습니다. 유형 1 인장 막대는 상온 테스트에 사용된 것과 동일한 프로토콜(분당 0.2인치의 크로스헤드 속도)에 따라 기계적 거동의 변화를 평가하기 위해 -60°C에서 4시간 이상 조건화하여 테스트했습니다.

위의 그래프는 각 분말 및 측정된 기계적 물성에 대해 측정된 기계적 물성의 정규화 값(%)을 표시하며, 이는 원래 값 대비 변화 비율을 나타냅니다.

모든 폴리머에 대해 가속 노화 시 허용 가능한 물성 변화를 정의하는 단일 범용 표준은 없지만, 결과를 해석하는 업계 가이드라인과 모범 사례가 있습니다. 일반적인 비 3D 프린트 열가소성 플라스틱에 대한 연구 에 따르면, 업계에서 일반적으로 인정하는 안정성의 정의는 일반적으로 영률 및 강도의 변화 10% 미만, 연신율의 변화 20% 미만으로 정의할 수 있습니다. 이 정의는 적층 제조 업계에서도 SLS 3D 프린팅을 위해 일반적으로 채택하고 있습니다.

Nylon 12 Powder는 1000시간 노출에도 뛰어난 기계적 유지력을 발휘합니다. 인장 계수는 약 4%, 극한 인장 강도는 3.3%만 감소하는데, 이 두 가지 모두 일반적으로 안정적이라고 간주되는 임계치(10% 미만의 변화)에 속합니다. 파단 연신율은 약 17% 감소하는데, 이는 장시간 자외선에 노출된 열가소성 플라스틱의 일반적인 경향이지만 여전히 산업용으로 허용 가능한 범위 내에 있습니다.

Nylon 12 Tough Powder도 우수한 성능을 발휘합니다. 인장 영률은 처음에는 감소하지만 사이클이 끝날 때까지 회복되어 원래 값보다 0.5 % 낮은 값으로 끝납니다. 극한 인장 강도도 마찬가지로 6% 감소에 그쳤습니다. 파단 시 연신율은 14.7% 감소하는데, 이는 자외선에 노출된 유연한 폴리아미드에 대한 기대치에 부합하는 수치입니다.
 

아래 그래프는 시간에 따른 각 자료의 시각적 변화를 보여줍니다. dE00을 사용하여 색상 변화를 계산하기 위해 측정한 결과 최소한의 변화가 나타났습니다: Nylon 12 Powder의 경우 0.60, Nylon 12 Tough Powder의 경우 0.63입니다. 이러한 결과는 일반적으로 사람의 눈으로 인식할 수 있는 임계값으로 간주되는 1.0보다 낮아 시간이 지나도 색 유지력이 우수함을 나타냅니다.

아래 표에는 1,000시간의 가속 내후성 테스트 후 결과가 요약되어 있습니다.

이러한 변화는 업계에서 일반적으로 탄성계수와 강도의 변화는 10% 미만, 연신율의 변화는 20% 미만으로 정의하는 안정성에 대한 정의에 부합하는 수준입니다. 두 분말 모두 제논 아크 가속 내후성에서 장기적으로 우수한 기계적 및 시각적 안정성을 보여줍니다. 이러한 결과는 두 분말 모두 노화와 노출이 중요한 실외 및 최종 사용 분야에 적합하다는 것을 시사합니다.

아래 그래프는 분말와 빌드 방향 모두에서 시간 경과에 따른 샘플 파트의 치수 변화 비율을 보여줍니다. 그 결과, Nylon 12 Powder와 Nylon 12 Tough Powder 모두 일반적으로 ±0.5% 이내의 최소 치수 변화를 보였습니다. 이는 프린팅 프로세스 자체에서 발생하는 일반적인 변동과 일치합니다. 이러한 결과는 장기적인 풍화 조건에서 우수한 치수 안정성을 나타냅니다.

Formlabs의 R&D 팀은 가속 내후성 외에도 극한의 추위에서 파트 거동을 평가하기 위해 Nylon 12 Powder에 대한 저온 인장 테스트를 수행했습니다.

이러한 결과는 영하의 온도에서 강도와 강성은 높지만 연성은 낮은 것으로 나타나 일반적인 열가소성 플라스틱의 거동과 일치합니다. 이러한 추세는 Nylon 12 Tough Powder와 같은 다른 나일론 기반 SLS 분말로 확대될 것으로 예상됩니다.

이 백서에는 Formlabs스 Nylon 12 Powder 및 Nylon 12 Tough Powder에 대해 1000시간 동안 제논 아크 노출을 사용하여 ASTM D4329-21, 사이클 A에 따라 테스트한 가속 내후성 연구 결과가 요약되어 있습니다. 이 표준 절차는 햇빛과 습기에 장기간 노출되는 상황을 시뮬레이션합니다. 기계적 물성 및 시각적 특성을 평가하여 장기 및 실외 적용에 대한 재료의 성능을 평가했습니다.

그 결과 두 분말 모두 노출 기간 내내 기계적 안정성을 유지하며, 노출 후 물성은 원래 값의 90%를 유지하는 것으로 나타났습니다. 인장 계수와 극한 인장 강도는 폴리머 노화 연구에서 안정적인 성능을 나타내기 위해 일반적으로 사용되는 임계값인 10% 미만의 변화만을 보였습니다. 예상대로 파단 연신율은 감소했지만 나일론 기반 열가소성 플라스틱의 경우 허용 가능한 범위 내에 있었습니다. 색상 변화는 인식 임계값 미만으로 유지되었습니다. 극한의 추운 환경에서의 성능을 평가하기 위해 -60°C에서 추가적인 저온 테스트를 수행했습니다. 그 결과 일반적인 열가소성 플라스틱에서 예상되는 강성 증가와 연성 감소가 나타났습니다.

이러한 결과를 종합하면 두 분말 모두 장기간의 실내 및 실외 최종 사용 애플리케이션에 적합한 후보임을 확인할 수 있습니다. 이 분말는 시간이 지나도 강도, 안정성 및 시각적 일관성이 필요한 생산 파트, 지그, 픽스처, 하우징 및 툴링에 이상적입니다. 부록에는 실제 사용 사례에 대한 고객 사례가 포함되어 있습니다. 증기 스무딩 및 코팅과 같은 고급 후처리 방법 은 표면 마감 개선, 수분 흡수 감소, 내구성 증가를 통해 SLS 파트의 성능을 더욱 향상시켜 더욱 까다로운 애플리케이션에 적합하게 만들 수 있습니다.

면책 조항: 이러한 결과는 위에 설명된 테스트 조건을 기반으로 합니다. 재료 속성은 파트 형상, 프린팅 조건 및 온도에 따라 달라질 수 있습니다. 

이 백서에 제시된 결과에 따르면 Formlabs Nylon 12 Powder와 Nylon 12 Tough Powder는 가속화된 노화 조건과 극한의 추위에서도 시간이 지나도 우수한 기계적 및 미적 성능을 유지하는 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 Formlabs 고객들이 이미 까다롭고 장기적인 애플리케이션에서 이러한 소재를 사용하고 있는 것과 일치합니다. 다음 사례 연구는 기업들이 인하우스 또는 타사 테스트를 통해 내구성 검증을 수행하면서 SLS 3D 프린트 파트를 생산에 활용하는 방법을 보여줍니다.

이 백서는 Nylon 12 Powder와 Nylon 12 Tough Powder에 초점을 맞추고 있지만, 다른 Formlabs의 SLS 분말도 고객들이 장기적인 실외 적용을 위해 테스트하고 있다는 점을 알아두는 것이 중요합니다. 아직 공식화된 데이터는 공개되지 않았지만, 여러 회사에서 노화 및 내후성 사용 사례에서 이러한 재료를 사용하여 성공적인 결과를 보고했습니다.

XSPECTER는 사진작가, 영화 제작자 및 응급 서비스에서 사용하는 견고한 카메라 삼각대 및 액세서리를 설계 및 제조합니다. 툴링 비용을 절감하고 설계의 자유도를 높이기 위해 실외 사용 중 충격, 진동, 날씨 노출을 견뎌야 하는 내구성 있는 최종 사용 컴포넌트를 위해 Formlabs Nylon 12 Powder를 사용하여 SLA 및 SLS 3D 프린팅을 모두 생산에 통합했습니다. 이제 맞춤형 삼각대 다리와 모듈식 하우징 유닛과 같은 파트를 인하우스에서 프린팅할 수 있어 신뢰성 저하 없이 더 빠른 반복과 소량 생산이 가능해졌습니다. 이 현장 배포는 실제 실외 환경에서 소재의 기계적 안정성을 강화합니다.

다음 미터( )는 커넥티드 수도 계량기를 제조하는 회사로, 다양한 유틸리티 설치를 위한 맞춤형 어댑터를 만들어야 했습니다. 소량 변형의 경우, 환경 스트레스에 노출된 최종 사용 마운팅 링을 프린트하기 위해 Fuse 1과 Formlabs Nylon 11 Powder를 사용했습니다.

내구성 검증을 위해 열, 추위, 습도, 침수 등 15년간의 날씨 노출을 시뮬레이션한 써모트론 챔버에서 3개월간 가속 환경 테스트를 실시했습니다. 파트는 자외선 및 레인 챔버 테스트도 거쳤습니다. SLS 3D 프린트 컴포넌트는 테스트 중에 기계적 또는 미적 저하가 나타나지 않았으며 현재 현장에 배치되어 있습니다.

이러한 결과는 이 백서의 가속 노화 테스트 결과와 직접적으로 일치하며, SLS 소재가 장기간의 환경 스트레스에서도 기능과 외관을 모두 유지한다는 것을 보여줍니다. 따라서 실외 유틸리티 및 인프라 컴포넌트를 위한 강력한 솔루션이 될 수 있습니다.