2. Fused deposition modeling (FDM)용 고분자 소재

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2. Fused deposition modeling (FDM)용 고분자 소재

가천대학교 박찬호

3D 프린팅 기술은 인쇄 방식에 따라 크게 절삭형 Top - down 방식과 적층형 Bottom - up 방식으로 나뉜다. 절삭형은 커다란 소재를 깎아내 재료의 손실을 야 기하는 반면 적층형은 이론상으로 재료의 손실이 없이 100% 사용할 수 있다는 점으로 인해 차세대 공정으로써 각광받고 있다. 이로 인해, 현재 보급형 프린터들 이 대부분 적층형 프린트가 자리하고 있다. 적층형 프린팅의 종류로는 FFF (Fused Filament Fabrication), FDM (Fused Deposition Modeling), DMT (Laser-aided Direct Metal Tooling), SLS (selective Laser sintering), LOM (Laminated object manufacturing) CJP (Color jet 3D Printing), polyjet (photopolymer jetting), SLA (Stereol-ithography Apparatus), DLP (Digital Light Processing), MJM (Multi Jet Modeling) 정도가 범용적으로 쓰이고 있다. 이 중 그 경계가 모호한 방식들을 제 외하면 현재 고분자 레진이 쓰이고 있는 가장 대표적인 방식은 FDM과 SLA으로 압축해 볼 수 있다. 이번 장에서는 FDM 방식에 대한 정보와 관련 고분자 레진의 활용 사례에 대해서 집중해서 알아본다.

2.1. FDM (Fused Deposition Modeling)

FDM이란?

FDM 기술은 재료(필라멘트)를 녹여 층층이 패턴으로 물체를 만드는 적층 제조 방법이다. 재료는 일반적으로 유리 전이 온도를 지나서 녹은 다음 이전 압출된 레이어 및 패턴의 옆이나 위에 패턴으로 압출되어 레이어별로 형상을 만들게 된 다. FFF과 차이점은 거의 없으며 FFF는 영국의 3D 프린터 개발 프로젝트 “Rep- Rap”에서 상표 문제를 방지하기 위한 명칭이며 산업기기에 가까운 FDM방식을 조금 더 개인화 한 버전이라는 모호한 차이가 있을 뿐이다.

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그림1. FDM 3D 프린터의 기계적 구조 [출처: https://doi.org/10.1145/3243734.3243735]

2.2. FDM의 장단점

장점

- 프린터의 안정성과 반복성이 뛰어나며, 관련 고분자 소재에 대해 높은 품 질의 제품들이 다수 있어서 활용이 용이하다.

- SLA, SLS 방식 등에 비해 저렴하다.

- 다양한 소재를 적용하기에 매우 용이하여, 가용가능한 물질의 제한이 적은 편이다.

단점

- 고분자 레진 점도에 따라 출력 결과물 및 품질이 영향을 받는다.

- 출력물 표면이 상대적으로 거칠고, 따라서 폴리싱 등의 후가공이 요구된다.

- 대면적 출력시 출력속도가 느리다.

- 3D 프린터의 장비, 모터 등 하드웨어의 구성이 복잡하다.

- 구조는 Feeder, Positioner, Hot end의 세 가지 주요 구성 요소에서 불가피 한 변형이 발생한다.

- 구조체의 z축 방향으로의 인장강도가 층간 접착력에 따라 약하다.

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2.3. FDM용 고분자 소재

2.3.1. Acrylonitrile butadiene styrene (ABS)

장점: 매우 견고하고 단단함. 다루기 쉬움. 가용 수명이 길어 기계 부품에 적합.

녹는 점이 높은 편.

단점: FDM 중 프린트가 어려운 편. Heatbed가 항상 필요. 프린팅 후 급격한 쿨링 시 구조에 금이 갈 수 있음. 식품류 접촉에 부적합. 냄새가 좋지 않음.

제조사 제품 특성 단가

Polymaker PolyLite ABS Tg=101℃

Td=380℃ >

Young’s modulus (X-Y)= 2174 ± 285 (MPa) Tensile strength (X-Y)= 33.3 ± 0.8 (MPa) Elongation at break (X-Y)= 2.7 ± 0.4 (%)

≥$50/kg

Multicomp ABS Print temperature : 220°C to 260°C Hot bed temperature : 110°C Print speed : 30 to 60mm/s

≥$20/kg

Ultrafuse ABS Tg=104℃

Print temperature : 240°C to 260°C Hot bed temperature : 90-110°C Young’s modulus (X-Y)= 1958 (MPa) Tensile strength (X-Y)= 36.3 (MPa) Elongation at break (X-Y)= 7.4 (%)

≥$75/kg

Stratasys ABS-M30 Tg=105.2 ℃

Volume Resistivity > 6.75*10^14 Ω*cm Young’s modulus (X-Z)= 2400 (MPa) Tensile strength (X-Z)= 32 (MPa) Elongation at break (X-Z)= 8.1 (%)

n/a

Tg: Glass transition temperature Td: Decomposition temperature

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2.3.2. Polycarbonate (PC)

장점: 내열성 우수 (flame-retardant level of UL 94: V-2). 내화학성 우수. 광학적 투 명도 확보 가능. 기계적 유연성 (versatility and bendability) 확보 가능. 높은 tensile strength.

단점: 고온의 프린팅 온도 조건 요구됨. 조건이 맞지 않을 시 뒤틀림 발생. 인쇄 중 대기 수분 흡수 발생 가능. 이로 인한 defects (swelling, bubbles, etc.) 발생 가 능. 단가 비싼 편. 음식물 접촉에 부적합 (bisphenol-A, BPA 발생)

제조사 제품 특징 단가

Polymaker PolyLite PC (70190)

Tg=113℃

Td=129-132℃

Young’s modulus (X-Y)= 2307 ± 60 (MPa) Tensile strength (X-Y)= 62.7 ± 1.3 (MPa) Elongation at break (X-Y)= 3.2 ± 0.4 (%) Bending modulus= 2477 ± 159 (MPa)

≥$66/kg

PolyMax tough PC (70494)

Tg=113℃

Td=360℃ >

≥$79/kg

Protopasta ABS Alloy PC (PCA11705-BLK)

Tg=60℃

Tm=155℃

Td=205℃ >

Print temperature : 205°C Hot bed temperature : 60°C Print speed : 20 to 40mm/s

≥$71/kg

Tm: Melting temperature

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2.3.3. Polyether ether ketone (PEEK)

장점: 강성과 강도가 높음. 내열성 및 내화학성 우수 (평균적으로 ABS보다도 100°C 이상 높은 내열성).

단점: 고온 프로세싱 요구됨 (230 °C 이상). 뒤틀림 현상이 심함. 상용화 필라멘트 제품군이 다양하지 못함. 필라멘트 단가가 비쌈.

3D4MAKERS 3D4MAKERS

PEEK Filament Density 1.26 g/cm3

Tensile Modulus= 4100 (MPa) Tensile Strength= 105 (MPa)

Impact strength Notched Izod= 5 (Kj/m²) Printer nozzle temperature= 370 - 420°C Heated bed temperature= 120°C +

Drying Recommendations= 120°C, 2-4 hours Print Speed= 15-30 mm/s

≥$650/kg

ThermaX ThermaX PEEK Tg=143℃

Density 1.3 g/cm3

Tensile Modulus= 3720 (MPa) Tensile Strength= 100 (MPa) Tensile Elongation= 28 (%)

Printer nozzle temperature= 380 - 400°C Heated bed temperature= 130-140°C Drying Recommendations= 120°C, 4 hours

≥$595/kg

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2.3.4. Polylactic acid or polylactide (PLA)

장점: 제작 단면의 온도가 낮아도 됨. 표면이 FDM중 매끈한 편. 빠른 노즐사출 속도 가능. 해상도가 좋은 편. Heatbed 없어도 가능. 냄새가 덜함. 생분해성 재료.

단점: 제품이 열에 취약. 깨짐 정도가 있을 수 있음. 생분해성이라 식품류와 사용 불가. 강도가 약함.

Filamentive EPLA

(1403200003) Tm=205 ± 15 ℃ Density 1.27 g/cm3

Tensile modulus = 4000 (MPa) Tensile strength= 40 (MPa) Elongation at break= 47 (%)

≥$100/kg

Polymaker PolyMax™ PLA Tg=61℃

Tm=149 ℃ Tc=112 ℃

≥$52/kg

Ultrafuse PLA (2918544)

Tg=61℃

Tm=151 ℃

Young’s modulus (X-Y)= 2308 (MPa) Tensile strength (X-Y)= 34.7 (MPa) Elongation at break (X-Y)= 4.2 (%) Bending modulus= 1860 (MPa)

≥$71/kg

Tc: Crystallization temperature

다음 장에서는 FDM용 고분자 복합체 소재의 예시와 특징 및 소재 개발 현황에 대해서 살펴보겠다.

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2.4. Reference

[1] 관계부처 합동, 2021, “2021년 3D프린팅산업 진흥 시행계획”

[2] https://www.imprimeren3d.net/

[3] A. R. Zanjanijam, I. Major, J. G. Lyons, U. Lafont, and D. M. Devine, “Fused Filament Fabrication of PEEK: A Review of Process-Structure-Property Relationships”, Polymers (Basel), 2020, 12, 8, 1665.

[4] T. D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K. T.Q. Nguyen, D. Hui, “Additive manufacturing (3D printing):

A review of materials, methods, applications and challenges”, Composites Part B, 2018, 143, 172–

196.

[5] S. Singh, S. Ramakrishna, F. Berto, “3D Printing of polymer composites: A short review”, Mat Design Process Comm. 2020, 2, e97.

[6] Z. H. Zhu, N. Zhang, T. Wang and M. Y. Hao, “Short Review of Polymer Composites for 3D Printing”, Materials Science and Engineering, 2020, 758, 012046.

[7] E. MacDonald, R. Wicker, “Multiprocess 3D printing for increasing component functionality”, Science, 2016, 353, 6307

[8] A. M. E. Arefin, N. R. Khatri , N. Kulkarni and P. F. Egan, “Polymer 3D Printing Review: Materials, Process, and Design Strategies for Medical Applications“, Polymers, 2021, 13, 1499

[9] L.-Y. Zhou, J. Fu, and Y. He, “A Review of 3D Printing Technologies for Soft Polymer Materials”, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000187

[10] W. Xu, S. Jambhulkar, Y. Zhu, D. Ravichandran, M. Kakarla, B. Vernon, D. G. Lott, J. L. Cornella, O.

Shefi, G. M.-Garnier, Y. Yang, K. Song, “3D printing for polymer/particle-based processing: A review”, Composites Part B, 2021, 223, 109102

[11] https://www.3dxtech.com/

[12] https://kr.element14.com/

[13] S. Wickramasinghe, T. Do and P. Tran, "FDM-Based 3D Printing of Polymer and Associated Composite: A Review on Mechanical Properties, Defects and Treatments", Polymers, 2020, 12, 1529 [14] https://3devo.com/

[15] https://www.3dprintingspot.com/

[16] Z. Li, A. S. Rathore, C. Song, S. Wei, Y. Wang, and W. Xu, “PrinTracker: Fingerprinting 3D Printers using Commodity Scanners”, CCS’18, 15-19, 2018, Toronto, ON, Canada.