Polymer(Korea), Vol. 40, No. 6, pp. 846-851 (2016) http://dx.doi.org/10.7317/pk.2016.40.6.846 ISSN 0379-153X(Print) ISSN 2234-8077(Online) 압출적층방식의 3D 프린팅조형물에서적층강도에대한고찰 박성제 박정현 이권행 류민영 서울과학기술대학교기계시스템디자인공학과 (2016 년 3 월 1 일접수, 2016 년 4 월 22 일수정, 2016 년 6 월 10 일채택 ) Deposition Strength of Specimens Manufactured Using Fused Deposition Modeling Type 3D Printer Seong Je Park, Jung Hyun Park, Kwon Haeng Lee, and Min-Young Lyu Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul 01811, Korea (Received March 1, 2016; Revised April 22, 2016; Accepted June 10, 2016) 초록 : 최근에들어 3D 프린팅의유용성은크게증가하고있으며이의기술또한빠르게증가하고있다. FDM (fused deposition modeling) 방식의 3D 프린팅은조작이매우용이하고다양한열가소성재료의적용이가능하여매우대중적이다. FDM 방식의 3D 프린팅은비연속적적층방식으로인하여매우낮은적층강도를보이는단점이있다. 본연구에서는세가지의재료, 즉 PLA(polylactic acid), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), 그리고 PA6 (polyamide 6) 를사용하여여러온도에서적층방향과적층직각방향의적층강도를비교하였다. 적층방향의적층강도의경우적층온도의증가에따라적층강도와파단시연신율의변화가없었다. 그러나적층직각방향의적층강도의경우적층온도의증가에따라적층강도와파단시연신율이비례적으로증가하였다. 적층방향대비적층직각방향의평균적층강도비율은 PLA, ABS 그리고 PA6 가각각 57.72%, 41.16% 그리고 45.99% 로나타났다. Abstract: The 3D printing market is growing fast, and related manufacturing techniques are being developed rapidly. Fused deposition modeling (FDM) type 3D printing is simple and inexpensive, and hence is popular. Moreover, it can be used for printing various thermoplastic materials. However, its deposition strength is low because stacking melted filaments is a non-continuous process. In this study, deposition strengths along directions parallel and orthogonal to the deposition direction at three temperatures and on three materials, poly lactic acid (PLA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), and polyamide6 (PA6) were compared and analyzed. Parallel to the deposition direction, deposition strength did not depend on temperature, whereas along the orthogonal direction, deposition strength increased with the process temperature. For PLA, ABS, and PA6, the average deposition strengths along the orthogonal direction were 55.72%, 41.46%, and 45.99%, respectively, of the average deposition strength along the deposition direction. Keywords: fused deposition modeling (FDM), 3D printing, deposition strength, deposition direction, orthogonal to deposition direction. 서 소재의가공방법은절삭가공, 소성가공, 캐스팅, 몰딩, 열성형등이있다. 최근들어서는적층성형 (additive manufacturing, AM) 이출현하면서그의유용성과장래의전개성에큰관심이집중되고있다. 적층성형은 rapid prototyping, rapid tooling, rapid manufacturing, 그리고 additive fabrication 론 To whom correspondence should be addressed. E-mail: mylyu@seoultech.ac.kr 2016 The Polymer Society of Korea. All rights reserved. technologies 등여러가지다양한용어들로사용되는데일반적으로 3D 프린팅이라일컫는다. 1 3D 프린팅은형상아이디어를단기간에 3차원형상으로구현해내는기술로시제품의제작과정에서소요되는경제적, 시간적비용을절약하게해준다. 또한복잡한형상의제작을용이하게하는큰장점을가지고있다. 이러한장점을바탕으로미래에는 3D 프린팅의주요활동분야가각산업분야에서의시제품생산을넘어완제품생산까지넓어질것으로예측된다. 3D 프린팅방식은크게 fused deposition modeling(fdm), stereo lithography apparatus(sla), selective laser sintering(sls), plastic sheet lamination(psl) 등으로구분된다. 2,3,5 이중 FDM 방식은열 846
압출적층방식의 3D 프린팅조형물에서적층강도에대한고찰 847 가소성필라멘트를열에의해용융시키고노즐을통해압출하여적층하는방식이다. 이방식은운전이간단하고다양한고분자소재를사용할수있어가장활발히사용되고있다. 4,5 FDM 방식 3D 프린팅의연구분야는필라멘트의공급및용융, 노즐부에서용융필라멘트의압출현상, 적층궤도, 그리고적층물의품질등으로요약된다. 6,7 적층물의품질은적층물의강도, 표면정도즉표면정밀도및표면거칠기, 그리고전체적인형상으로나뉜다. 이중에서적층물의강도는단순히형상확인으로의용도를넘어서향후다양한용도로의전개를위해서는크게향상되어야할항목이다. 적층물의강도는 FDM 방식적층의특성때문에적층방향과적층직각방향으로의강도가다르다. 이러한강도의차이는용융물의접착강도가 bulk 소재의강도보다낮기때문이다. 8,9 FDM 방식 3D 프린팅은 Figure 1 과같이 road 의적층방식이라는특징으로인하여기존플라스틱공정의대부분을차지하는사출에비해낮은강도를보인다. FDM 방식에서제작한시편의인장강도는내부를이루는 road 들의방향에따라큰차이가있다. 내부 road 가적층방향 (deposition direction) 일때인장강도가가장높고적층직각방향 (orthogonal to deposition direction) 일때인장강도가가장낮다. 또한열로용융된필라멘트가적층되는방식이므로공정온도가강도에큰영향을줄것으로보인다. 적층방향과적층직각방향의강도에대한연구는많이찾을수있다. 9-11 PLA 소재를이용한적층물의변형에관한연구가있고, 12 ABS 소재를이용한인장강도및충격강도등의기계적물성에관한연구가있다. 8-11,13-15 PA 소재를이용한적층물의연구는기계적물성과치수정밀도에관한연구가있다. 14,15 적층강도는적층공정조건에따라다르게나타나는데그중에서도압출부의온도에크게좌우된다. 3D 프린팅의조형물의다양한응용을위해서는다양한소재에서다양한적층온도에따른강도의연구가필요하다. 2,16-18 본연구는 FDM 방식 3D 프린팅에서가장많이사용되는 3 가지재료, 즉 PLA, ABS, 그리고 PA6 에대하여적층하는방향과공정온도를달리하여적층강도 (deposition strength) 를비교분석하였다. 이를통하여적층강도의수준을파악하고적층강도향상방법을모색하고자하였다. 기존연구는각각의연구에서사용하는재료가다르고, 또한사용하는 3D 프린터및운전조건이달라서여러소재의적층물성을객관 Figure 1. Tensile test specimen for deposition direction and orthogonal to deposition direction in FDM type 3D printing. 적으로비교하기어려웠다. 또한필라멘트제조사나그레이드가다르면같은소재라도다른물성을보인다. 13-18 본연구에서는여러재료 (PLA, ABS, PA6) 에서공정조건들이같은상태에서두가지극단적인적층상태즉인장하는방향으로적층된경우와인장의직각으로적층된경우의적층강도를적층온도에따라비교하였다. 소재에따라이두방향의적층강도를살펴보고비교함으로써적층물의상대적인적층강도를판단할수있다. 본연구는 3D 프린팅의활용에서소재선택의가이드를해줄것으로기대된다. 새로이개발되는 3D 프린팅용소재는산업용으로그의응용을확대하기위해서는적층강도를증가시키는것이매우중요하다. 실 실험재료. 본연구에서는 Natural Works 사의 PLA(Ingeo TM Biopolymer4032D), CHIMEI 사의 ABS(General ABS POL- YLAC PA-757), PURUI 사의 PA6 를사용하여실험을진행하였다. 이러한소재는 3D 프린팅을할수있도록필라멘트형상으로보빈에감아서제공된다. 필라멘트의직경은 1.75 mm 이며소재의물성은 Table 1 에나타나있다. PLA 는옥수수의전분을이용하여만든친환경적수지이며유해요소가없고수축이매우적다는장점을가지고있어 FDM 의필라멘트로가장널리쓰인다. ABS 는 3 가지성분, acrylonitrile, butadiene 그리고 styrene 으로구성된 copolymer 로비결정성수지이며성분의비율을조절하여물성을조절할수있다. 고온에서점착성이뛰어나다는장점을가지고있 험 Table 1. Filament Used in FDM Type 3D Printing PLA ABS PA6 Filament supplier Natural works (USA) CHIMEI (China) PURUI (China) Grade Ingeo TM biopolymer 4032D General ABS POLYLAC PA-757 - Test method ASTM D882 ASTM D638 ASTM D638 Tensile strength (MPa) 103.4 46.1 73.5 Elongation at break (%) 180 25 200 Polymer(Korea), Vol. 40, No. 6, 2016
848 박성제 박정현 이권행 류민영 으나적층시냄새가나는단점이있다. PA6 는인성이크고충격강도와내구성이우수하나흡습성과수축이매우큰편이다. 실험장비. 본연구에서시편을제작하기위해 FDM 방식의 3D 프린터는 Rokit 사 ( 한국 ) 의 Edison Multi2 를사용했다. Multi2 의경우제작할수있는출력물의최대크기는 270 148 150 mm 이고정밀도 (resolution) 는 x, y 방향이 11 µm, z 방향이 2.5 µm 이다. 또한출력속도는 40~300 mm/s 이며최대사용가능한노즐온도는 300 o C 이다. 적층강도실험을위한인장시험기로는 INSTRUMENTS 사 ( 영국 ) 의 EZ20 을사용하였다. EZ20 의허용하중은 20 kn 이고인장속도는 0.001~ 508 mm/min 이다. 또한최소하중분해능은 0.0001 N 이고로드셀정밀도는 0.5% 이하이다. 실험방법. 시편제작을위해 3 차원형상의 modeling 파일을 STL 파일로슬라이싱 (slicing) 하여 Rokit 사에서제공하는 Creator K 프로그램을통해시편을제작하였다. 인장시편의형상은 Figure 2 와같다. PLA, ABS, PA6 를이용한시편제작시 layer height, nozzle 직경, nozzle 속도, bed 온도를 Table 2 와같이설정하였다. 그리고공정온도는변수로하여적층방향과적층직각방향의시편을 5 개씩제작하였다. 수지에따른노즐온도 ( 적층온도 ) 는 Table 3 에나타나있다. 인장시험시인장속도는최대한정적하중을부여하기위하여 1mm/min 로하여 gauge length 내의파단을유도하였다. 결과및토론 적층방향의강도. 서론에서언급한바와같이 3D 프린팅조형물은적층방향과적층직각방향에서물성이다르게나 Figure 2. Tensile specimen (ASTM D638, Type No.1). Table 2. Operation Condition of FDM Type 3D Printer Item Value Layer height (mm) 0.2 Nozzle diameter (mm) 0.4 Nozzle speed (mm/s) 80 Bed temperature ( o C) 90 Table 3. Deposition Temperature of FDM Type 3D Printer (unit: o C) PLA ABS PA6 200 210 245 220 230 255 240 250 265 Figure 3. Tensile behaviors of the specimens by deposition direction. 폴리머, 제 40 권제 6 호, 2016 년
압출적층방식의 3D 프린팅조형물에서적층강도에대한고찰 849 타난다. 두방향의인장강도를비교하기위해 PLA, ABS, 그리고 PA6 로적층하는방향을달리하여시편을제작하였다. Figure 3 에는적층방향으로제작된인장시편의응력 - 변형률곡선이나타나있다. 각소재별적정온도영역에서온도를달리하여제작한시편의인장시험결과이다. Figure 3(a) 는 PLA 를 200, 220, 그리고 240 o C 에서제작한인장시편의응력 - 변형률곡선을보여주고있다. 모든온도에서유사한크기의인장강도를보였다. 파단시연신률은온도가높은경우에높게나타났는데이는적층시온도가높을수록필라멘트간접착이강하여연신율이높게나온것으로판단된다. 적층온도가높으면각층의접합에유리하다. 온도가높을수록두 road 가접합되는 neck radius 가증가되어접촉면적이넓어질뿐만아니라 diffusion 과 healing 이좋아지고, 사슬의 entanglement 가증가되기때문이다. 13-17 이와유사한경우로사출성형에서성형온도의증가에따라 weldline 의강도가향상된다. 온도가높을수록표면간 diffusion 이잘되어접합이향상되는것이다. Figure 3(b) 는 210, 230, 그리고 250 o C 에서적층한 ABS 의인장시험결과이다. 각온도에서인장강도크기는유사하게나타났고, 파단시변형률은온도가가장낮은 210 o C 에서가장높게나타났다. 이경우인장시험중에적층 bead 층들이분리되면서인장되는현상이나타났는데, 이때 bead 들에서배향이일어나면서나타난현상이라고사료된다. Figure 3(c) 는 PA6 시편의적층온도에따른인장특성을보여주고있다. 245 와 265 o C 의시편에서는파단이일어난후일부재료가실처럼붙어있는부분때문에응력과변형률이동시에감소하는커브를보이고있다. 적층온도가가장높은 265 o C 에서가장높은응력을보였다. 255 o C 에서적층한시편에서최대응력점의변형률이가장작게나타났다. 그러나파단후파단면에붙어있는필라멘트밑부분이실처럼연신되면서응 력이떨어지면서변형률이크게증가하였다. Table 4 에는각소재별인장강도 ( 최대응력 ) 와파단시변형률 ( 파단이일어나지않은경우는최대응력점의변형률 ) 을나타내었다. 적층직각방향의강도. Figure 4 에는적층의직각방향으로제작된시편의인장시험결과를보여주고있다. Figure Table 4. Tensile Strength (Maximum Stress) and Elongation at Break (or Elongation at Maximum Stress) of the Specimens by Deposition Direction (Average/Standard Deviation) PLA ABS PA6 Nozzle temperature ( o C) Tensile strength or maximum stress (MPa) Elongation at break (%) Elongation at maximum stress (%) 200 63.6/1.3 2.47/0.12-220 63.7/2.6 2.64/0.28-240 63.6/2.4 2.62/0.19-210 43.2/0.9-3.18/0.27 230 43.8/0.3 2.67/0.20-250 42.3/1.3 2.43/0.15-245 31.3/0.9-12.38/3.08 255 31.4/1.0 9.20/14.84-265 36.9/ 0.8-20.81/5.34 Figure 4. Tensile behaviors of the specimens by orthogonal to deposition direction. Polymer(Korea), Vol. 40, No. 6, 2016
850 박성제 박정현 이권행 류민영 Table 5. Tensile Strength (Maximum Stress) and Elongation at Break of the Specimens by Orthogonal to Deposition Direction (Average/Standard Deviation) PLA ABS PA6 Nozzle temperature ( o C) Tensile strength (MPa) Elongation at break (%) 200 32.2/1.2 1.469/0.176 220 37.5/1.3 1.754/0.228 240 40.5/2.0 1.802/0.535 210 10.7/0.3 0.526/0.076 230 19.7/0.5 1.384/0.360 250 23.2/1.7 1.521/0.208 245 6.2/0.5 1.634/0.054 255 19.1/0.7 4.613/0.551 265 20.5/1.2 5.699/0.330 4(a) 는 200, 220, 240 o C 에서적층한 PLA 의결과인데가장높은온도인 240 o C 에서적층한시편에서가장큰인장강도를나타내고있다. 적층온도와인장강도는비례적으로나타났다. 파단시변형률역시적층온도와비례하여온도가높을수록높게나타났다. Figure 4(b) 는 ABS 시편의결과이다. PLA 시편과같이적층온도가높을수록인장강도와파단시연신율이높게나타났다. 210 o C 에서적층한시편은작은연신율을보이며낮은응력에서파단되었다. Figure 4(c) 는 PA6 의인장시험결과이다. PLA, ABS 시편과마찬가지로적층온도가높을수록인장강도와파단시연신율이높게나타났다. Table 5 는적층직각방향의인장시험결과가나타나있다. 적층방향과적층직각방향의인장특성비교. 각재료별적층방향과적층직각방향의인장강도 ( 파단이명확히일어나지않을경우최대응력 ) 를 Figure 5 에비교하였다. PLA 의경우적층방향의평균인장강도는 63.63 MPa 이고적층직각방향의인장강도는 36.73 MPa 이다. 적층직각방향이적층방향에비해약 57.72% 의인장강도를보였다. ABS 의경우적층방향과적층직각방향의평균인장강도가각각 43.27, 17.87 MPa 로나타났다. 적층직각방향이적층방향에비해약 41.46% 의강도를보였다. PA6 의경우는적층방향으로평균 33.20 MPa, 적층직각방향으로평균 15.27 MPa 의강도를보였다. 적층직각방향의강도는적층방향의강도에비해약 45.99% 를보였다. 전체적으로보면적층방향의강도는적층온도에크게의존하지않았으나적층직각방향의인장강도는적층온도에크게의존되었다. 즉, 적층온도가높을수록적층강도는증가하였다. PLA, ABS, 그리고 PA6 의 bulk 소재의인장강도는각각 103.4, 46.1 MPa, 그리고 73.5 MPa 이므로각소재의적층방향의인장강도는 bulk 소재에비해각각 61.54, 93.49%, 그리고 45.17% 를보였다. Figure 5. Comparison of tensile strength for deposition direction. Bulk 소재의인장강도에비해적층직각방향의강도는 PLA, ABS, 그리고 PA6 에서각각 35.52, 38.76%, 그리고 20.77% 를보였다. 결 본연구는 FDM 방식의 3D 프린터에서 PLA, ABS, 그리고 PA6 를이용하여공정온도에따라적층방향과적층직각방향에대하여적층강도를비교분석하였다. 적층방향의경우온도의증가에따른적층강도와파단시연신율의큰변화가없었다. 그러나적층직각방향에서는온도의증가에따라적층강도와파단시연신율이비례적으로 론 폴리머, 제 40 권제 6 호, 2016 년
압출적층방식의 3D 프린팅조형물에서적층강도에대한고찰 851 증가하였다. PLA, ABS, 그리고 PA6 소재는적층방향대비적층직각방향으로인장강도가각각 57.72, 41.46%, 그리고 45.99% 로나타났다. 3D 적층물은적층면의온도가높을수록접착력이강해지는것을확인할수있었다. 적층방향의인장강도는원소재의 bulk 소재의인장강도에비해 PLA, ABS, 그리고 PA6 에서 61.54, 93.49%, 그리고 45.17% 를보였다. 3D 프린팅조형물의강도는원소재의 bulk 강도에크게미치지못하므로이의향상을위한다양한연구가필요하다. 감사의글 : 본논문은산업통상자원부산업핵심기술개발사업으로지원된연구결과입니다 (10051680, 3D 프린팅용친환경고강도고분자소재개발 ). 참고문헌 1. D. G. Ahn, S. H. Lee, K. D. Kim, and D. Y. Yang, Trans. Mater. Process., 11, 323 (2002). 2. G. D. Kim and J. Y. Kim, Transact. Korea Soc. Machine Tool Eng., 15, 56 (2006). 3. C. Park, M. H Kim, S. M. Hong, J. S. Go, and B. S. Shin, J. Korean Soc. Manuf. Technol. Eng., 24, 334 (2015). 4. R. N. Chuk and V. J. Thomson, Rapid Prototyping J., 4, 185 (1998). 5. S. Kumar and J. P. Kruth, Mater. Des., 31, 850 (2010). 6. H. S. Ramanath, M. Chandrasekaran, C. K. Chua, K. F. Leong, and K. D. Shah, Key Eng. Mater., 334, 1241 (2007). 7. W. Ma, W. C. But, and P. He, Computer-Aied Design, 36, 1309 (2004). 8. M. Dawoud, I. Taha, and S. J. Ebeid, J. Manuf. Processes, 21, 39 (2016). 9. S. H. Ahn, M. Montero, D. Odell, S. Roundy, and P. K. Wright, Rapid Prototyping J., 8, 248 (2002). 10. C. W. Ziemian, D. E. Cipoletti, S. N. Ziemian, M. N. Okwara, and K. V. Haile, Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium 2014, 525 (2014). 11. O. S. Es-said, J. Foyos, R. Boorani, M. Mendelson, and R. Marloth, Mater. Manuf. Processes, 5, 107 (2000). 12. X. Liu, S. LI, Z. Liu, X. Zheng, X. Chen, and Z. Wang, Int. Adv. Manuf. Technol., 79, 1117 (2015). 13. M. Montero, S. Roundy, D. Odell, S. H. Ahn, and P. K. Wright, Proceedings of Rapid Prototyping and Manufacturing Conference, 1 (2001). 14. C. M. Haid, Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology (2014). 15. G. D. Kim and J. H. Sung, J. Kor. Soc. Precis. Eng., 23, 187 (2006). 16. Q. Sun, G. M. Rizvi, C. T. Bellehumeur, and P. Gu, Rapid Prototyping J., 14, 72 (2008). 17. G. D. Kim and Y. T. Oh, Proc. IMechE, Part B: J. Engineering Manufacture, 222, 201 (2008). 18. B. V. Reddy, N. V. Reddy, and A. Ghosh, Virtual Phys. Prototyp., 2, 51 (2007). Polymer(Korea), Vol. 40, No. 6, 2016