열경화성 3D 프린트몰드와생분해성소재접합에관한연구 윤성철 마재권 방대욱 최해운 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷 4 號別冊 2014. 4
20 특집논문 ISSN 1225-6153 Online ISSN 2287-8955 열경화성 3D 프린트몰드와생분해성소재접합에관한연구 윤성철 * 마재권 ** 방대욱 *** 최해운 **, * 계명대학교기계공학과대학원 ** 계명대학교기계자동차공학과 *** 계명대학교컴퓨터공학과 A Study on Joining of 3D Thermoset and Biodegradable Polymers Sung Chul Yoon*, Jae Kwon Ma**, Dae Wook Bang*** and Hae Woon Choi**, *Graduate School of Mechanical Engineering, Keimyung University, Daegu 704-701, Korea **Department of Mechanical and Automotive Engineering, Keimyung University, Daegu 704-701, Korea ***Department of Computer Science, Keimyung University, Daegu 704-701, Korea Corresponding author : hwchoi@kmu.ac.kr (Received August 12, 2014 ; Revised August 27, 2014 ; Accepted August 28, 2014) Abstract Laser heat source was applied on 3D poly urethane model built by 3D printer and cellulous acetate for joining. A diode laser with 808nm wavelength was transmitted through the 3D model and applied on the boundary of ABS/Acetate and 3D poly urethane model. Based on the experimental result, the ABS and 3D built poly-urethane polymers was successfully joined, but the mechanical strength was not enough at the joining boundaries in the range of 6watt to 8watt of laser heat source. However, biodegradable acetate was successfully joined without damaging the 3D built model and mechanical strength was properly achieved. The optimum laser power was found between 5watt and 8watt with scanning speed of 500mm/min, 700mm/min and 1,000mm/min. Based on the SEM analysis the filling mechanism was that the applied pressure on 3D built model squeezed the fluidic thermoplastics, ABS and acetate, into the structure of 3D model. Therefore soundness of joining was strongly depending on the viscosity of thermoplastics in polymers. The developed laser process is expected to increase productivity and minimize the cost for the final products. Key Words : Laser process, Polymer joining, Thermoset, Acetate 1. 서론 3D 프린터를이용한생산공정이제조산업에새로운이슈로떠오름에따라소형의료기기부품에서부터고강도자동차부품까지그용도가다양해지고있다. 또한, 3D 프린터의상용화로인하여 Top down 방식에서 Bottom up 방식으로의생산의패러다임전환이되고, CAD/CAM 분야의불모지였던다품종소량생산에도획기적인솔루션을제공하게되었다 1). 특히, 2011 년부터 3D 프린터는제작비용을절감하기위해항공, 자동차, 예술, 보석가공, 의료분야, 건 축등다양한분야에적용되기시작하였고, 관련특허가일부만기또는만기될예정이어서관련기술을적용한저가의 3D 프린터가개발되고보급중에있다. 3D 프린터는그방식에따라서고체기반의 FDM (Fused Deposition Modelgin) 방식, 액체기반의 SLA (Stereo Lithography Apparatus), 파우더기반의 SLS (Selective Laser Sintering), 그리고이를변형한 SLM (Selective Laser Melting), 액상기반 DLP (Digital Light Processing), 액상기반 MJM (Multi Jet Modeling) 등으로구분할수있다 1-3). FDM 방식은고체필라멘트형태의플라스틱재료를고온의헤드에서가열하여노즐통해압출하고, 2D 또 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Journal of Welding and Joining, Vol.32 No.4(2014) pp20-25 http://dx.doi.org/10.5781/jwj.2014.32.4.20
열경화성 3D 프린트몰드와생분해성소재접합에관한연구 21 는 3D 모션을통해서 3차원적층하는방식이다. 이방식은그방법이간단하고, CNC 장치에고체필라멘트분사장치만부착하면쉽게구현할수있다. 보통정밀도는 0.2mm 정도를얻을수있으며, 고강도와저렴한제작비용그리고변형이비교적적어서자동차, 기계, 로봇분야에프로토타입제작에많이이용이되고있다. 이에비해액상기반의 SLA 방식은빛에반응하는아크릴이나에폭시계열의광경화성수지 (Photocurable resin) 가들어있는수조에레이저 (Laser) 빔을주사하여원하는모델을조형하는방식이다. 조형파트들은위아래로움직이는작업대위에만들어지게되며, 약 0.025~0.125 mm 두께로한층씩적층한후두께만큼밑으로내려가면서다시레이저를조사하는방식이다. 사용되는재료가주로광경화성열경화수지이므로, 제작된모델의강도가좋아서자동차또는강도가요구되는기계부품으로많이사용이된다. 또한, 정밀도가타방식보다높아서고정밀기계부품제작에도많이사용이되고있다 1-2). 국내외에보급된 3D 프린터재료의대부분은플라스틱으로서, FDM 방식의보급용프린터에서는 PLA ( 폴리락틱산, Poly Lactic Acid) 플라스틱과 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 플라스틱이주로사용중이다. 이중 PLA 는옥수수가루를원료로만들어져자연분해가가능한친환경적소재이며 ABS 에비해가격이상대적으로비싼편이다. ABS 는유독가스를제거한석유추출물재료로, 가격이저렴한편이지만 PLA 에비해쉽게수축되는성질을가지고있으며, 다양한생체재료뿐만아니라생분해성재료로활용될수있다 3). 레이저기술또한산업전반에서광범위하게적용이되어서정밀가공및공정자동화에크게이바지하였다. 레이저는개발초기부터현재까지비약적인성장을이루어오면서산업의다양한분야에서이용되어오고있는데, 고밀도에너지열원으로인해서전자산업은물론자동차산업, 중공업, 전기, 반도체산업전반에서그쓰임이꾸준히증가하고있다 4-7). 레이저의장점하나는일반절삭가공에비해서비접촉으로가공하기때문에접촉으로인한공구변형이나정밀도저하, 그리고마찰로인한예상치못한열발생을최소화할수있다. 또한, 소입열원의강도를자율롭고정밀하게제어가능하기때문에용접공정에서도기존열원을빠르게대체하고있으며, 유지운영비또한타공정에비해서저렴하게소요가된다 6-8). 일반적으로고분자화합물은열경화성수지 (Thermoset) 와열가소성수지 (Thermoplastic) 으로구분할수있는데, 열경화성수지는강도는강한반면열을가하여재변형이어렵다. 반면, 열가소성수지는가열을통해유리천이온도이상에서재변형이자유롭지만, 강도가비교적약하며열에취약하다. 이러한단점을극복하기위하여두재료를장점을살린복합재료개발이요구되지만, 극성이다른두소재의경우는그제조원리의차이로인해서화학적재결합이매우어렵다. 본연구에서는 3D 프린터로제작된열경화성수지와사출성형으로제작된생분해성열가소성수지를레이저를이용하여접합한연구결과를보고하고자한다. 3D 프린터로특수제작된폴리우레탄계열의수지와 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 그리고생분해성소재인아세테이트 (Acetate) 소재를다이오드레이저를사용하여서접합하였다. 엄밀히말하면폴리우레탄 (polyurethane) 은열경화성수지는아니나같은 3차원구조를가진플라스틱이다. 질기고화학약품에잘견디는특성을가지고있으며, 본실험에사용된소재 (Mold) 는재가열에의해서변형이되지않고발화가되어열가소성수지와는가열에의해서접합이되지않는소재이다. 본논문에서는레이저빔을스캐닝하여열경화성수지와열가소성수지계면에집중한후, 열가소성수지의유동성을좋게한후열경화성수지내로침습할수있도록하였다. 이를통해서열경화성수지와열가소성수지가기계적인결합을할수있도록하였으며, ABS 와생분해성수지인아세테이트수지를비교접합하는실험을수행하였고그특성을비교하였다. 2. 실험의방법 2.1 실험재료준비 본연구에사용된재료열경화성수지로는 3D프린터의출력물을이용하였으며, 사용된프린터방식은 DLP (Digital Light Processing) 방식이다. DLP 디지털광학기술은원래 DMD(Digital Micromirror Device) 칩을이용해이미지의고정밀표시를구현하는기술이며, 광경화성수지를경화시키는광원으로레이저대신에 digital light projector를이용한것이다. 즉, 프로젝터에서나온이미지를마스크단면을통해서한층전체를한꺼번에경화하여광경화성수지에형상을구현하는방법으로서, 섬세한조형이가능하며면단위로조형이되어작업속도가균일하고높은정밀도를구현할수있다. 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 4 號, 2014 年 8 月 359
22 윤성철 마재권 방대욱 최해운 3D 프린터는 PROJET HD3500 ( 미국 3D systems Inc.) 이며, 최대실물제작크기는 298 185 203mm 이고, 적층정밀도는 0.001-0.002 inch 이다. 빛을투과할때빔프로젝터의원리처럼마이크로미러를사용하기에매우세밀한표면조도와정밀도를구현할수있는장점이있다. 사용된소재 (Mold) 는우레탄계열의 Urethane acrylate oligomers(20~40%), Ethoxylated bisphenol A diacrylate (15~35%), 그리고 Tripropyleneglycol diacrylate (1.5~3%) 로구성되어있으며, 비등점은 200 C 이상, 비중은 1.1 이며, 세부화학적조성은제조사의지적재산으로보호되어있다. 또한, 제조후공백으로처리되는서포트 (Support) 는 Hydroxilated wax 가 60 ~ 100% 첨가되어있다. 서포트물질은녹는점이 55~65 C 이기때문에, 적층후오븐에서일정시간경과하면제품밖으로유출된다. 상대소재로사용된열가소성수지로는 ABS 와생분해성셀룰로오스 / 아세테이트를이용하였으며, 다른합성수지재료로대체할수없는안경테제조에있어가장좋은특성을가진유일한천연섬유로만든소재로탁구공및안경테제조에많이이용되고있다. 열가소성수지는셀룰로오스 / 아세테이트의원자재는모두천연섬유소이며천연섬유소와빙초산을화학반응시켜서제조한것이다. 난연성이며, 비중은약 1.22 이며변형온도는약 85 C 이다. 두물질의기본적인구조가 Fig. 1 (a) (b) 에나타나있다. 또한, 결합력을좋게하기위해서 3D 프린터로제작된경화성수지의구조는 Fig. 1(c) 에도시하였다. 2.2 실험장치셋업본연구에사용한레이저투과용접은 808nm 파장의레이저빔을광섬유로전송하여소형 CNC 머신에준비된폴리머접합장치에서접합이이루어지도록하였다 (Fig. 2a). 전송된레이저빔은해당파장에비교적투명성 (Transparent) 이우수한폴리머 (Polycarbonate, PC) 를상층에배치하여가압하고, 하층부에 3D 프린트된폴리우레탄을배치하고, 하부에 ABS 또는생분해성아세테이트수지를배치하였다 (Fig. 2b). 상부에조사된레이저빔은접합계면에도달하면서열가소성수지에열이흡수되고전도 (Conduction) 에의해두폴리머가접합되어접합되는원리를이용하였다. Fig. 2(a) 에서보여진바와같이본실험에사용된레이저는파장 808nm, 최대출력 60watt 의다이오드레이저로사용한파이버의코어사이즈는 400μm 이며, 레이저빔의직경을약 400μm 로집광시켜시편표면에조사되었다. 소형CNC머신의이동방향으로는 Fig. 2(b) 에서나타난것과같이 0.5mm 만큼이동하며 20mm 40mm 의범위로레이저를조사하였다. 레이저출력은 5~ 9watt, 용접속도는 500, 700, 1000mm/min 으로변화시키면서용접을실시하고광학현미경및주사전자현미경 (SEM) 을이용하여단면을촬영하였다. O CH 3 NH 2 (a) Urethane CH3 O OCH 3 OA C (b) Acetate (a) Laser beam delivery system 레이저조사 가압 가압 PC 우레탄아세테이트 3mm 1.5mm 5mm (c) Dimension of thermoset plastic Fig. 1 Chemical structures of polymers (b) Arrangement of material and holding jig Fig. 2 Experimental setup 360 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 4, 2014
열경화성 3D 프린트 몰드와 생분해성 소재 접합에 관한 연구 23 압력이 높은 점성을 가진 ABS를 격자내로 유동시키기 3. 실험의 결과 가 역부족 이였을 것으로 분석이 된다. 레이저출력을 3.1 ABS 접합실험 증가시켜서 ABS의 유동을 좋게 하기 위한 실험도 진행 생분해성 소재인 셀룰로이스 아세테이트 접합에 앞 서, 일반적으로 열가소성 수지로 공업용으로 가장 많이 사용되고 있는 소재 중의 하나인 ABS와 접합 실험을 실시하였다. Fig. 2에서 제시된 바와 같이 에폭시 수지 를 상부에 배치하고, 하부에 ABS를 배치하여 레이저를 조사하였다. 레이저는 5watt에서 7watt 범위에서 조 사를 하였으며, Scanning speed는 500mm/min에서 1,000mm/min 범위로 설정하였다. 실험결과를 광학현 미경으로 분석하였으며, 결과가 Fig. 3에 정리되었다. Fig. 3 에서 나타난 바와 같이 대부분의 영역에서 일 (a) 부만이 접합이 되었고, ABS의 용융부가 에폭시의 격자 를 충분히 채우지 못하였다. 용접강도 검사결과 약한 힘 에서 결합부가 분해되어서 충분한 강도가 형성되어 있 지 않음이 확인 되었다. 정밀 분석을 위해서 계면 부위 를 전자현미경으로 관찰하였다 (Fig. 4). Fig. 4에서 도시된 바와 같이 계면의 일부에서 열가 소성 수지인 ABS 가 우레탄 격자내로 침투가 되었으며 아주 작은 양이 접합강도에 기여하는 것으로 분석이 되 었다. 이는 ABS에 흡수된 레이저 에너지가 유리천이 온도 이상으로 가열이 되었고, 우레탄에 작용한 압력으 로 인해서 ABS의 유동이 격자내로 흘러갔으나, 가해진 (a) P=5watt,1000mm/min (c) P=7watt, 700mm/min (b) Fig. 4 SEM analysis of Urethane vs. ABS (b) P=7watt, 500mm/min (d) P=(c) P=7watt, 500mm/min Fig. 3 ABS joining result 大韓熔接 接合學會誌 第32卷 第4號, 2014年 8月 361
24 윤성철 마재권 방대욱 최해운 하였으나상부의 3D 몰드에지나친열이공급되어서발화또는연소되는현상이발생하여서연구를제한하였다. 3.2 Acetate 접합실험 생분해성소재인셀룰로이스아세테이트접합실험을 3.1 에서제시된방법과동일형태로진행을하였다. 생분해성소재인아세테이트는유동성이 ABS 에비해서상대적으로좋아서양질의접합이기대되었다. 실험결과 Fig. 5에서나타난바와같이 5watt, 500mm/min 의레이저열원에서부터 8watt, 500mm/min 전영역에서양질의접합이이루어짐을알수있었다. 또한, 추가실험을통해서 9watt 인경우를제외하고는 500mm/min 용접속도에서열가소성수지 ( 아세테이트 ) 가가압에의해열경화성수지에접합이잘된것을알수있었다. 그리고용접속도가증가함에따라용접부의열가소성수지가열경화성수지에접합이잘안되는것을확인할수있었는데, 이는지나친입열로인해서아세테이트가고온분해된것으로분석이된다. 실제접합부의형상을통해서접합원리를분석해보기위해서최적의결과가도출이된 8watt 출력에서의접합부를전자현미경을통해서분석하였다 (Fig. 6). Fig. 6(a) 에서도시된바와같이, 레이저로가열된열가소성아세테이트수지는 3D 프린트된우레탄격자를 80% (a) P=8watt, 700 mm/min (b) P=8watt, 500 mm/min Fig. 6 SEM analysis of Urethane vs. Acetate 이상채웠으며, 이는소입된레이저에너지가우레탄을손상시키지않으면서하부아세테이트의유동을좋게하기위한온도로적절히전달되었음을의미한다. Fig. 6(b) 의 SEM 3차원이미지분석에의하면, 일부영역에서는 3차원격자가완전히충진되었으며, 이를통해서 3D 프린트된몰드와열가소성수지의적층의기계적접합의가능성을확인할수있었다. 4. 결론 (a) P=5watt, 500mm/min (b) P=8watt, 500mm/min Fig. 5 Acetate joining 레이저를이용한폴리머의접합공법을이용하여서 3D 프린트된폴리우레탄계열의폴리머와열가소성수지인 ABS 와셀루로스아세테이트수지를접합하는연구를수행하였다. 실험의결과 ABS 는강도가약한접합이이루어졌으나, 생분해성소재인아세테이트의경우는 3D 프린트로제작된 1mm x 1mm의격자를 80% 이상채우는접합이이루어짐이광학현미경과전자현미경 (SEM) 의분석결과알수있었다. 본연구에서는 808nm 의파장을가지는레이저를사용하여접합을수행하였고, 투명 PC 재료를통해서가압한후, 열경화성성질을지니는특수폴리우레탄계열의수지와하부 ABS/ 아세테이트수지를사용접합 362 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 4, 2014
열경화성 3D 프린트몰드와생분해성소재접합에관한연구 25 하였다. 실험결과상부의조직은레이저에의해서손상되지않고하부폴리머가접합을이루기위한유동을충분히확보하는접합조건이확보되었으며, 이를통해서극성이다른두폴리머가접합이되었다. 향후시뮬레이션과실험적방법을반복적으로수행하여비교검증하는추가연구를하고, 접합시편의기계적강도를측정하여서접합부또는계면의접합신뢰도를향상하는연구를추가하면최적공정설계가도출되어극성이다른고분자화합물접합에많은기여를할수있을것으로기대가된다. References 1. H. Choi, S. Yoon, J. Ma, D. Bang, Fabrication of microreactor by 3D printing machine, Journal of Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 23-3 (2014), 218-222 2. D. Dimitrov, N. Beer, P.Hugo, K. Schreve, Three Dimenstioanl Printing, Comprehensive Material Processing, Vol. 10 (2014), 217-250 3. S. Masood, Advances in Fused Deposition Modeling, Comprehensive Materials Processing, Vol. 10 (2014), 69-91 4. J. Yoo, C. Lee, H. Choi, Hybrid Process for Polymer Welding, Journal of Korean Society of Laser Processing, 28-3 (2010), 47-53 (in Korean) 5. H. Shin, H. Choi, S. Kim, Hybrid process for lubricant groove on linear guides, Int. J. Adv. Manf. Technol., 46 (2010), 1001-1008 6. S. Han, S. Han, S. Kim : A Review on Plastic Welding Technology with Diode Laser, Journal of KWJS, 26-4 (2008), 14-20 (in Korean)3. J. Lee, J. Seo, D. Shin, S. Kim : Trend of Laser Assisted Machining, Journal of Korean Society of Laser Processing, 10-1 (2007), 1-10 (in Korean) 7. C. Song, H. Choi, Laser energy optimization for dissimilar polymer joining, Journal of Korean Society of Laser Processing, 32-2 (2014), 63-69 (in Korean) 8. E. Hecht, Hecht Optics, Addison Wesley, forth edition, 129-135 윤성철 1988년생 계명대학교기계공학과대학원 용접공학, 레이저용접, 용접자동화 e-mail : cloudy_nara@naver.com 방대욱 1957년생 계명대학교컴퓨터공학과 상황인식, 임베디드시스템, 시뮬레이션 e-mail : dubang@kmu.ac.kr 마재권 1989년생 계명대학교기계자동차공학과 기계설계, 레이저용접 e-mail : purenuclear@kmu.ac.kr 최해운 1972년생 계명대학교기계자동차공학과 용접공학, 레이저용접, 용접자동화 e-mail : hwchoi@kmu.ac.kr 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 4 號, 2014 年 8 月 363