한국섬유공학회지, Vol. 52, No. 4, 272-279 http://dx.doi.org/10.12772/tse.2015.52.272 ISSN 1225-1089 (Print) ISSN 2288-6419 (Online) 용융수지압출조형방식 3D 프린팅으로제조된텍스타일의형태및물성 이선희 동아대학교패션디자인학과 Morphology and Properties of Textiles Manufactured by Three-Dimensional Printing Based on Fused Deposition Modeling Sun Hee Lee Department of Fashion Design, Dong-A University, Busan 604-714, Korea Corresponding Author: Sun Hee Lee E-mail: shlee014@dau.ac.kr Received July 4, 2015 Revised July 31, 2015 Accepted August 8, 2015 c 2015 The Korean Fiber Society Abstract: In this study, the possibility of textile manufacture by 3D printing based on fused deposition modeling (FDM) was investigated. Among the various filaments that can be used for 3D printing, three polylactic acid (PLA) filaments and one thermoplastic polyurethane (TPU) filament was collected and then examined by dynamic mechanical thermal analysis (DMTA), differential scanning calorimetry (DSC), and a tensile test. An Stereolithograpy (STL) file with a 3D textile model was prepared and transformed into a G-code file using a G-code generator. The extrusion conditions for 3D printing were controlled by nozzle speed, nozzle temperature, thickness of the outer layer, height of the layer, and extrusion speed. Textiles manufactured by 3D printing based on FDM using PLA and TPU filaments were obtained. A 3D textile sample prepared using TPU filament was analyzed for morphology, and thermal and tensile properties, and the following results were obtained: melt temperature of approximately 204 C, breaking load of 14 N, and elongation of 36%. Consequently, the applicability of 3D printing based on FDM for manufacturing textiles using TPU filament was confirmed. Keywords: 3D printing, fused deposition modeling, textiles, thermoplastic urehtane, thermal property 1. 서론 3D 프린팅기술은 3차원으로설계된데이터를기반으로다양한원료를출력하여입체적인형태의물체를만들어내는기술이다 [1 5]. 얇은층을한층씩계속해서쌓아제작하기때문에적층가공 (additive manufacturing) 기술이라고도한다. 3D 프린터는기술방식에따라광경화수지적층방식 (Stereo Lithography Apratus, 이하 SLA), 선택적레이저소결적층방식 (Selective Laser Sintering, 이하 SLS) 및용융수지압출조형방식 (Fused Deposition Modeling, 이하 FDM) 공정으로분류할수있다. 이중 FDM 법은필라멘트형소재를가열된노즐을거쳐용융상태로출력되는방법으로, 노즐을통과한소재는적층하면서경화되는원리로제조하는기법으로, 섬유의용융방사방식과유사한것으로볼수있다. Figure 1은 FDM법 3D 프린터의출력순서를도식화한것이다 [6,7]. 먼저 3D 모델링프로그램으로형태를입체적으로모델링하고, STL(stereolithograpy file format) 파일형식으로생성한다 (Figure 1(a)). 이파일은 3D 입체모델링한것을수학적으로얇은층으로나누고, 배열시켜프린팅시적층할수있도록모델링프로세스를처리한것이다. 이때출력하는경우에따라지지체구조가생성될수도있다. 다음단계에서는 3D 프린터에서 3D 모델링파일을 3D 출력프로그램에서 G-code 파일형태로변환하여, 출력을준비한다 (Figure 1(b)). 이때 3D 프린터출력조건을조절할수있는데, 채우기, 레이어높이, 출력속도, 여유시간속도및출력온도등으로분류할수있다 (Figure 1(c)). 우선채우기조건은 % 로표시하며, 출력물의내부를비우려면 0으로, 완전히채우려면 100을입력하는것으로, 출력물의최종무 272
용융수지압출조형방식 3D 프린팅으로제조된텍스타일의형태및물성 273 게를제어할수있다. 레이어높이는 mm로표시하며, 출력물의적층높이를결정하는데, 3D 프린터제조사에따라다르나, 평균 0.025 0.6 mm까지설정이가능하다. 레이어높이가작을수록치밀한구조로출력할수있다. 출력속도는필라멘트가노즐에공급될때, 1초에압출장치가움직이는속도를나타내며, 3D 프린터의종류에따라 40 1000 mm/sec 범위를가지며, 출력속도가낮을수록진동이적고출력물의표면을부드럽게얻을수있다. 출력온도는압출장치에서필라멘트를녹이는온도를결정하는데, 선택하는필라멘트소재종류에따라달라질수있다. 보통선택한재료의결정화온도에서용융온도범위사이로설정할수있으며, 보통 160 350 o C 사이의값을입력할수있고, 출력물의크기가작을경우같은필라멘트소재라도출력온도를낮게설정하는것이좋다. 히팅베드 (heating bed) 의온도는출력물이바닥에잘붙게하기위한온도로써재료의유리전이온도이하의값을설정하는것이좋다. 히팅베드의온도를입력하고, 제어함에따라출력물의열처리공정을부가할수있게된다. 위의조건으로설정을해준후, 3D 프린팅으로모델링파일을출력하는데있어서, 필라멘트상의재료가노즐에공급되고, 가열된노즐로부터작은비드형태로압출되고, 모델링형태에따라레이어를형성하면서출력된후공기중에경화되면서모델링의형태대로출력물을제조하게된다 (Figure 1(d)). 이때재료는필라멘트상으로코일에서풀리면서압출노즐에공급이되고, 노즐에필라멘트가통과할때모터 (nozzle motor) 는압출헤드를이동시키고, 속도를제어함에따라재료의공급속도를제어하는역할을한다. 노즐의히팅블록 (heating block) 은가열부분으로, 이영역을지날때재료는액체상으로전이되고압출구 (extruder holes) 의입구에놓인다. 노즐은수치제어기구에의해수직및수평의양방향으로이동할수있다. 고체기반소재를사용하는 FDM 법은사용되는소재가주로열가소성플라스틱, 금속, 세라믹등을사용하며, 유지보수및장비가격이저렴하고, 다양한소재를사용할수있다는장점이있다. 소재종류로는필라멘트형태를가진열가소성수지인아크릴로니트릴 -부타디엔-스티렌 (acrylonitrilebutadiene-styrene, ABS), 나일론 12, 폴리카보네이트 (polycarbonate, PC), 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylene sulfide, PPS), 폴리락틱엑시드 (polylactic acid, PLA) 및열가소성폴리우레탄 (thermoplastic polyurethane, TPU) 등으로분류할수있다. 최근에는개인용 3D 프린팅기기가보급됨에따라친환경성소재인 PLA와유연한특성을갖는 TPU 소재에대한관심이급증하고있는실정이다 [8,9]. 한편, 3D 프린팅을이용한패션제품에관한연구를살펴보면다음과같다. Yang[5] 은 3D 프린팅기술을적용한패션디자인에대한사례를도서, 논문및인터넷자료등을통해수집하고, 각각의류, 구두, 패션소품, 패션부자재로분류하였으며, 각각의디자인특성을무한복제가가능한복제성, 조형대칭성, 재료에대한융합성, 소재나디자인에대한실험성, 제작과정에대한기능성및효율적인부분에대한경제성으로설명하고있다. 한계점으로는자료분석을중심으로하였으므로, 패션제품에대한 3D 모델링에대한콘텐츠개발, 설계한것을형태적으로출력할수있는실험, 이에사용하는소재및공정조건에대한점을지적하고있다. 또한, 패션디자이너인 Iris van herpen[10] 은 2010년부터벨기에의 3D 프린팅기업인머터리얼라이즈와협력하여제품을제작하고있다. 이때제조한텍스타일은분말형태의재료를 SLS법 3D 프린터로출력한것이다. Michael schmidt[11] 는나일론필라멘트재료를이용하여 FDM 법 3D 프린터를사용하여작품을발표한바있다. 또한 Yuima nakazato[12] 는열경화수지를재료로사용하여, SLA법 3D Figure 1. Scheme of 3D printing based on fusion deposition modelling.
274 이선희 Textile Science and Engineering, 2015, 52, 272-279 프린터로출력하여충격흡수기능을갖는바이크의류를제조하여발표한바있다. 이들디자이너들의결과물은 3D 프린팅된텍스타일을의류로적용할수있다는가능성을보이나, 텍스타일의제조공정해석이나, 유연성이나쾌적성등의기능적특성평가에대한연구는거의이루어지지않고있음을알수있다. 따라서, 본연구는 FDM법의 3D 프린팅을이용하여텍스타일의제조가능성을타진하는것을목적으로한다. 먼저기존의 3D 프린팅용필라멘트중현재의류용으로사용되는소재인 PLA 및 TPU를수집하여, 각필라멘트의화학구조, 열적및물리적특성을평가하였으며, 출력조건의기초적인자료로사용하였다. 다음으로 3D 텍스타일형으로모델링하고, FDM 3D 프린팅기기로출력하여, 텍스타일형태로제조하고자하였다. 이때필라멘트종류, 출력속도, 노즐온도등의출력조건을제어하여최종샘플 6종을얻었다. 마지막으로출력한샘플의텍스타일로의가능성을타진하기위하여직물현미경분석, 열적특성및인장강신도특성등을분석하였다. Figure 2. Images of various filament samples used for 3D printing. 2. 실험 2.1. 시료 FDM법 3D 프린팅용소재중 PLA(Edison Ltd.) 3종및 TPU(Finebot Ltd.) 1종필라멘트를구입하였으며, 직경은 0.75 mm이다. Figure 2에는사용한필라멘트를나타낸것이며, 물성분석에사용하기전까지표준온도에서데시게이터안에서보관하였다. 2.2. 3D 텍스타일제조조건 3D 텍스타일을제조하기위하여, 직경이 1mm인사슬형태를 1.5 cm 간격으로 8회반복하여 12 12 2 cm 크기로 Figure 3. G-code generated for 3dTEX 00.stl. 123D 프로그램을이용하여모델링하였다. 얻어진모델링파일을 STL 혹은 OBJ 파일을 3D 출력프로그램에서 G- code 파일형태로변환하여, 3D 출력준비를하였다 (Figure 3). 이때출력에사용한 3D 프린터는두가지종류이며, Table 1에각기기의특성을나타내었다. 각 3D 프린터의기본설정중출력온도, 레이어두께, 레이어높이, 출력속도등을제어하여출력하여 12 12 2 cm 3 크기의샘플 6종 ( 이하 Table 1. Specification of 3D printer used in this study Type of 3D printer Size (mm) Weight (kg) Maximum size of object (mm) Diameter of nozzle (mm) Program A 467 324 380 14.5 225 145 150 0.4 Creator K B 480 400 425 18.0 265 200 182 0.4 Cura B Table 2. Various processing conditions of 3dTEX samples Sample code Type of 3D printer Type of filament Temp of nozzle ( o C) Thickness of outer layer (mm) Height of layer (mm) Printing speed (mm/min) 3dTEX 01 A S-PLA 215 1.6 0.25 80 3dTEX 02 A N-PLA 215 1.6 0.25 80 3dTEX 03 A W-PLA 215 1.6 0.25 80 3dTEX 04 B TPU 220 1.6 0.1 40 3dTEX 05 B TPU 220 1.6 0.2 40 3dTEX 06 B TPU 220 1.6 0.2 60
용융수지압출조형방식 3D 프린팅으로제조된텍스타일의형태및물성 275 3dTEX) 을얻었다. 예비실험을통해출력한샘플이 3D 모델링의형태가육안으로유사한것을중심으로선택하였으며, 분석에사용한샘플의제조조건은 Table 2에나타내었다. 이후분석에사용된샘플은 3dTEX 01 03의샘플당무게는 0.18 g/cm 2 이며, 3dTEX 04 06의경우는 0.11 g/cm 2 로나타났다. 2.3. 특성분석필라멘트분석 : DMTA 분석은 DMTA 분석기 (TA instrument) 를이용하여승온속도 5 o C/min, 측정범위는 30 250 o C로하여 tanδ를분석하였다. 이때시료길이는 2cm이고, 1 Hz 에서측정하였다. 열분석은 DSC 분석기 (DSC Q 20, TA instrument) 를이용하여승온속도 10 o C/min, 측정범위는 30 200 o C로하여 1차곡선, 2차곡선및 3차곡선을얻었다. 얻어진곡선에서용융온도및결정화온도를확인하였다. 이때시료량은 3mg으로하였다. 인장강신도분석은인장시험기 (AGS-500D autograph, Shimazu, Japan) 를이용하여측정속도 100 mm/min, 시료는 50 mm로측정하였다. 측정은각 5회로하였고, 강도, 신도및탄성률은평균값으로나타내었다. 3D 텍스타일분석 : 표면특성분석은직물현미경 (NT 100, Nextec, Korea) 를이용하여촬영하였다. 열분석은 DSC 분석기기 (DSC Q 20, TA instrument) 를이용하여승온속도 10 o C/min, 측정범위는 30 200 o C로하여용융온도및결정화온도를측정하였다. 이때시료량은 3mg으로하였다. 인장강신도분석은필라멘트의분석시사용한인장시험기로측정하였고, 샘플은 2.5 7.5 cm로준비하여, 각 5회측정하여평균값을나타내었다. 3. 결과및고찰 3.1. 필라멘트특성분석열적특성 : 일반적으로 DMTA 분석은재료의점탄성측정을통해재료의미세구조중비결정영역에대한정보를유추할수있으며, 유리전이온도및점탄성거동에대한정보를얻을수있다. PLA의유리전이온도는 60 65 o C 범위에서, TPU의경우약 -20 o C 부근에서나타나는것으로알려져있다. Figure 4는필라멘트종류별 tan δ 곡선을나타 Figure 4. Tan δ curves of various filament types. 낸것이다. 3종의 PLA 필라멘트는 50 o C 부근에서피크를나타났고, S-PLA 75 o C 부근, N-PLA는 120 o C 부근, W-PLA 는 80 o C 부근에서다른피크가확인되고있다. 이는재료의미세구조중비결정영역의형태가불균일한것으로추측할수있다. 반면 TPU 필라멘트의경우상온에서는 tan δ 피크는나타나지않았다. Figure 5 및 Table 3은필라멘트종류별 DSC 전이곡선및특성온도를나타낸것이다. 각필라멘트의열적특성을면밀히검토하기위하여, 3차곡선까지측정을행하였다. 일반적으로 1차곡선은주어진필라멘트그대로의열적특성을알수있다. 2차곡선은용융시킨시료를일정속도로냉각시키면서얻어진곡선으로결정화피크를얻을수있다. 3차곡선은열처리나연신등가공공정이제외된상태의특성을알수있다. W-PLA의경우용융온도는 156.7 o C에서나타났으나, 59.3 o C에서는용융피크가, 99.6 o C 에서는냉결정화온도가확인되는등내부구조가균일하지못한것으로보인다. 3차곡선에서는 150 o C 및 157.5 o C 의이중용융피크로나타났다. S-PLA의경우도 1차곡선에서 3개의전이온도가나타났으며, 166.7 o C의용융온도를살펴볼수있다. 2차냉각곡선에서 108.5 o C의결정화온도가나타났다. 3차곡선에서는 160 o C 및 168.1 o C에서 Table 3. Melting temperature and crystallization temperature of various filament types Peak temperature of 1st run ( o C) Peak temperature of 3rd run ( o C) T c ( o C) T m1 T cc T m2 T m1 T cc T m2 W-PLA 59.3 99.6 156.7-62.2 111.5 150.0/157.5 S-PLA 55.9 84.7 166.7 108.5 - - 160.4/168.1 N-PLA 58.8 111.2 167.2-63.2 125.0 165.6 TPU - - 204.4 175.3 - - 204.4/221.4
276 이선희 Textile Science and Engineering, 2015, 52, 272-279 Figure 5. DSC curves of various filament types; (a) W-PLA, (b) S-PLA, (c) N-PLA, and (d) TPU. Figure 6. Load-elongation curves of various filament types.
용융 수지 압출 조형방식 3D 프린팅으로 제조된 텍스타일의 형태 및 물성 277 Figure 7. Morphology of 3D textiles with various processing conditions. 용융 피크를 확인할 수 있다. N-PLA의 경우 167.2 oc에서 용융온도를 나타내고 있으며, 3차곡선에서의 용융온도는 165 oc에서 나타났고, 다른 PLA 시료에 피해 단일 피크를 나타내고 있다. 3D 프린터 출력 가공의 온도 조건은 주로 냉결정화 온도 (Tcc)에서 결정화 온도(Tc) 사이의 범위에서 결정할 수 있다 [13]. 본 연구에서 분석한 3종의 PLA 필라멘트는 전이 온 도 범위가 다양하게 나타나고 있다. 이는 PLA 필라멘트는 내부 구조가 균일하지 못한 것을 나타내는 것이며, 균일한 열적 성질을 가질 수 있도록 3D 출력에 사용하기 전 건조
278 이선희 Textile Science and Engineering, 2015, 52, 272-279 및결정화등의전처리공정을행하여, 균일한용융온도를갖는필라멘트로가공하여사용하는것이바람직한것으로보인다. 이에반해 TPU 필라멘트의경우용융온도는 204.4 o C 에서단일피크로나타났으며, 결정화온도는 175.3 o C로나타났다. 3차곡선에서나타난용융온도는 204.4 및 221.4 o C 에서나타나고있으므로, 전처리공정은생략할수있다. 인장강신도특성 : Figure 6은필라멘트종류별하중-변형률곡선을나타낸것이다. 하중의경우 W-PLA, N-PLA, S- PLA, TPU 순으로크게나타났다. 변형률의경우 TPU, S- PLA, N-PLA, W-PLA 순으로크게나타났다. PLA 필라멘트는초기탄성률값이큰것으로나타나강연성이클것으로보인다. 이에비해 TPU는 PLA의강도보다약간작게나타났으나, 200% 의변형률값을나타나고있으므로 PLA 에비해신축성이좋은재료로볼수있다. 3.2. 3D 텍스타일특성분석표면특성 : Figure 7은 3D 프린터로출력된텍스타일의표면사진을나타낸것이다. 3dTEX 01 03은 PLA로출력한것이고, 외관상모델링의형상의사이즈인 12 12 cm, 루프사슬두께는 1mm로출력된것을확인할수있다. 공정조건은 PLA 종류에따라동일한조건에도외관상흠이없는텍스타일형태를보이고있다. 그러나얻어진샘플은단단하고유연성이없어텍스타일로의활용가능성은낮은것으로판단되었다. 3dTEX 04 06은 TPU로출력한것으로, 공정조건중레이어의높이및출력속도를제어하여출력하였다. 3dTEX 04는모델링한형상중루프사슬직경은 1mm보다작은사이즈로출력되어, 모델링한규격으로출력할수없는조건으로확인되었다. 레이어높이를 0.2로증가시켜서출력한결과 3dTEX 05 샘플을얻었으며, 이는모델링형상대로출력할수있는조건으로확인할수있었다. 압출속도를증가시켜출력한결과, 3dTEX 06 샘플을얻었으며, PLA 로출력한샘플의외관과거의동일한수준으로얻을수있었다. 본연구에서는동일한모델링파일로 3D 프린트로출력한바, TPU 필라멘트를사용하여 3dTEX 06의가공공정조건으로출력하는경우, 즉유연하면서도텍스타일의외관을형상을가질수있는재료를얻을수있었다. 열적및물리적특성 : 3D 텍스타일의열적및물리적특 Table 4. Thermal and mechanical properties of 3dTEX samples obtained using TPU filaments T m ( o C) H (J/g) Load (N) Elongation (%) 3dTEX 04 204.22 3.392 14 50.4 3dTEX 05 204.27 3.952 14 41.6 3dTEX 06 204.34 4.244 14 36.7 성분석은유연성이있는 TPU 필라멘트로얻어진샘플인 3dTEX 04, 3dTEX 05, 및 3dTEX 06에한하여측정하였다. Table 4는 TPU를사용하여얻어진 3dTEX 3종의열적특성, 인장특성및볼반발특성에대한값을나타낸것이다. 먼저출력조건에따라얻어진 3dTEX 04, 05 및 06의재료의용융온도는약 204 o C로거의동일하게나타났으며, 흡열량은 3dTEX 06이크게나타난바, 텍스타일의결정화도가큰것으로볼수있다. 인장강신도결과를보면세시료모두하중은 14N으로동일하였으나, 3dTEX 06의변형률은감소하는경향으로나타났다. 4. 결론 본연구는 FDM법의 3D 프린팅을이용하여텍스타일의제조가능성을타진하는것을목적으로수행한바다음과같이요약할수있다. 1. 기존의 3D 프린팅용필라멘트중현재의류용으로사용되는소재인 PLA 및 TPU를수집하여, 각필라멘트의열적및물리적특성을평가한바결과는다음과같다. FDM 3D 프린팅용필라멘트특성을 PLA의경우유리전이온도는 50 120 o C 범위에서나타났고이는히팅베드온도설정의기준이된다. 결정화온도는 100 125 o C 범위에서나타났으며, 각재료는공정에사용하기전열처리등의결정화과정을추가하는것이바람직하다. 용융온도는약 156 168 o C 범위에서나타났으며, 노즐온도는약 210 o C 이상으로조건을설정할수있다. TPU의경우유리전이온도는영하의조건이므로, 출력시결정화를천천히할수있는환경조건제어가필요한것으로보인다. 용융온도가약 204 o C에서나타났으므로, 노즐온도는약 230 o C 이내로설정이가능하다. 2. 3D 텍스타일을모델링하고, G-code로변환하여 3D 프린팅기기로출력하여, 텍스타일형태로제조하였다. FDM 법 3D 프린터출력조건은 PLA의경우노즐온도는 215 o C, 레이어높이는 0.25 mm, 외벽두께는 1.6 mm, 압출속도는 80 mm/min으로하였다. TPU의경우노즐온도는 220 o C, 레이어높이는 0.2 mm, 외벽두께는 1.6 mm, 사출속도는 60 mm/min인경우텍스타일의형태를갖는제품을출력할수있었다. 3. 출력한샘플중 3dTEX 06은용융온도약 204 o C, 하중 14N, 변형률약 36% 의텍스타일을얻을수있었다. 이와같이 FDM 3D 프린팅텍스타일제조가능성타진한바, 유연성있는고분자재료로출력하는경우텍스타일의형태로출력이가능하다. 고분자재료가유연성이없는경우라면유연성을가질수있는 3D 모델링을할때루프상텍스타일디자인개발및이에맞는공정조건을확립할필요가있다. 또한 3D 프린터출력시연신공정을추가
용융수지압출조형방식 3D 프린팅으로제조된텍스타일의형태및물성 279 할수있다면섬유화가능성이높아져서가늘면서도강한재료로출력이가능할것이다. 후속연구로는 3D 모델링소프트웨어를이용하여텍스타일디자인을행한후최적의출력공정조건을데이터베이스화하면서, 출력물의결정구조, 배향도등의미세구조제어를통해강인하면서도유연성을갖는 3D 프린팅으로제조한텍스타일에대한연구를지속적으로수행하고자한다. References 1. S. Huh and H. H. Cho, The Application of 3D Printing of Consumer Viewpoint, PD Issue Report, KEIT, 2013, pp.14 26. 2. W. S. Jang, S. H. Lee, and C. Y. Jung, The Strategy of Korea Ceramic Industry for 3D Printing Manufacturing Innovation, PD Issue Report, KEIT, 2013, pp.32 53. 3. T. E. Sung, 3D Printer : View and Task of 3D Printer, KISTI Market Report, 2013, 3, 7 10. 4. D. H. Nam, H. Y. Cho, S. B. Lee, and J. W. Huh, Current State and Research Direction of 3D Printing Polymer, PD Issue Report, KEIT, 2014, pp.53 75. 5. J. W. Yang, Master s Thesis, Hongik University, Seoul, 2014. 6. Rokit, User s Manual, Creator K V8, Seoul, 2014. 7. TPC Mechatronics, User s manual-cura, Seoul, 2014. 8.S. H. Lee, A Study of Materials of Fashion Product of Manufactured by 3D Printer, Proceeding s the Korean Clothing Industry, 2014, p.169. 9. S. H. Lee and M. Y. Hur, Study on Physical Properties and Processing Conditions of Filaments Manufacturing by FDM 3D Printing, Proceedings of the Korean Society of Clothing and Textiles, 2014, p.132. 10. http://www.irisvanherpen.com 11. http://www.michaelschmidtstudios.com/dita-von-teese.html 12. http://www.yuimanakazato.com/collection/2014.html 13. The Korean Fiber Society, Synthetic Fibers, Hyungsul, Seoul, 1994.