유연한 3D 프린팅 가이드: 소재, 기술 및 응용 분야

유연한 3D 프린팅이란 무엇인가요?

유연성 3D 프린팅은 구부러지거나, 늘어나거나, 압축되거나, 충격을 흡수하면서도 원래의 형태로 복원되도록 설계된 엘라스토머 소재를 사용하여 부품을 제작하는 공정입니다. 이 공정에서는 TPU(열가소성 폴리우레탄)와 같은 유연한 열가소성 수지 및 광경화성 수지, 그리고 다양한 쇼어 경도와 신장 특성을 지닌 기타 엘라스토머 소재가 사용됩니다. 유연한 3D 프린팅은 인체공학적 그립, 씰, 개스킷, 웨어러블 기기, 완충 기능, 그리고 부드러움, 탄력성 또는 반복적인 굽힘이 필요한 의료 및 치과용 부품을 제조하는 데 널리 사용됩니다.

유연한 3D 프린팅은 굽힘, 압축 또는 충격 흡수 등 크고 가역적인 변형을 겪은 후, 힘이 제거되면 원래의 모양으로 회복되는 부품을 생산하는 기술입니다. 소재에 따라 하중을 받았을 때의 미세한 휨부터 완전히 고무와 같은 반응에 이르기까지 다양한 형태를 보일 수 있습니다.

모든 유연 소재가 똑같이 작동하는 것은 아닙니다. 일부는 착용감과 촉감을 위해 고무를 모방하도록 설계되었습니다. 다른 소재들은 파손되지 않고 반복적인 응력, 마모 또는 기계적 사용을 견딜 수 있도록 제작됩니다. 이러한 차이는 소재 선택과 프린팅 공정 모두에 영향을 미치므로 초기 단계에서 중요합니다.

쇼어 경도와 파단 신율은 이를 정량화하는 가장 간단한 방법입니다. 쇼어 A 값이 낮을수록 소재는 더 부드럽고 유연합니다. 값이 높을수록 더 단단하며 지지력이 뛰어납니다. 파단 신율은 소재가 끊어지기 전까지 얼마나 늘어나는지를 나타냅니다.

핵심 질문은 해당 부품이 어떤 성능을 발휘해야 하는가 하는 점입니다. 그립, 씰, 오버몰딩 부위의 사실감을 중시한다면, 대개 촉감과 표면 품질을 최적화하게 됩니다. 반면 보호 커버, 공구, 또는 반복적인 굽힘이 필요한 부품과 같이 기능적인 용도라면, 시간이 지나도 변함없는 내구성과 일관성을 더 중시하게 됩니다.

유연한 3D 프린팅 소재의 종류

유연한 3D 프린팅 소재는 견고하면서도 약간 유연한 플라스틱부터 부드럽고 고무와 유사한 소재에 이르기까지 매우 다양한 특성을 지닙니다. 올바른 소재 선택은 단순히 소재 자체가 “얼마나 유연한가”에 달려 있는 것이 아니라, 사용 시 어떤 성능을 발휘해야 하는지에 더 크게 좌우됩니다. 예를 들어, 반복적인 굽힘, 표면 접착력, 밀봉 성능, 혹은 단순히 최종 제품의 촉감을 재현하는 것 등이 있습니다.

이러한 소재는 성능 특성을 통해 가장 잘 이해할 수 있습니다:

• 열가소성 우레탄(TPU) 및 열가소성 엘라스토머(TPE)를 포함한 유연한 열가소성 수지는 내구성과 실제 부품 성능으로 잘 알려져 있습니다.
• Agilus30™, Tango™, Elastico®를 포함한 고무와 유사한 광경화성 수지는 사실감과 디테일이 필요한 곳에 사용됩니다.
• P3™ 실리콘, P3™, Stretch™ IND475 및 80 수지를 포함한 실리콘 및 엘라스토머는 실제 응용 분야에서 반복적인 변형, 압축, 탄성 및 복원력이 필수적인 경우에 이상적입니다.

세미플렉스 광중합체나 폴리프로필렌 기반 소재와 같이 유연성이 제한적인 소재도 있지만, 이러한 소재는 본 가이드에서 다루는 고무와 유사한 특성을 제공하지는 않습니다.

TPE, TPU 및 기타 유연한 필라멘트

열가소성 엘라스토머(TPE)는 유연한 열가소성 수지의 광범위한 범주를 지칭하는 동시에, TPE의 특정 유형이기도 합니다. Stratasys FDM® 시스템에 사용되는 TPU는 TPE 범주에 속하며 유연성과 내구성의 균형을 제공합니다.

FDM® TPU 92A와 같은 소재는 유연성과 내구성의 균형을 제공하므로, 표면 마감보다 성능이 더 중요한 경우, 즉 마모, 진동 또는 반복적인 움직임을 견뎌야 하는 부품에 사용할 수 있습니다.

초고탄성 PolyJet 소재

TissueMatrix® 및 GelMatrix®와 같은 유연한 3D 프린팅 제트 수지는 이러한 특성을 한 단계 더 발전시켜 매우 부드럽고 젤과 같은 특성을 보여줍니다. 이러한 수지는 기계적 강도보다 연조직의 반응을 재현하는 것이 더 중요한 의료 시뮬레이션 및 훈련 분야에서 사용됩니다.

P3 엘라스토머 소재

P3 DLP용 유연 소재는 실제 상황에서 하중을 받았을 때의 거동이 중요한 응용 분야에 적합합니다.

• P3 MED 실리콘 25A는 피부와 연조직의 반응을 재현하는 동시에 밀봉 및 압축용 엘라스토머 역할도 수행합니다. 순수한 실리콘 소재이므로 성형 가능한 실리콘과 마찬가지로 까다로운 열적 및 기계적 조건 하에서도 장기적인 탄성과 복원력을 제공합니다.
• P3 실리콘 25A는 P3 실리콘 제품군의 산업용 모델로, 씰이나 웨어러블 기기 등 지속적인 압축과 부드러움이 요구되는 부품에 사용됩니다.
• 신축성 소재(Loctite 3D IND402, P3 Stretch IND475, P3 Stretch 80)는 부드러운 그리퍼 및 취급 도구와 같이 반복적인 변형과 회복이 필요한 용도를 위해 설계된 엘라스토머 수지입니다.

실리콘 유사 소재 대 순수 실리콘 소재

모든 “실리콘” 3D 프린팅 부품이 실제로 실리콘인 것은 아닙니다.

P3 실리콘 25A와 같은 진정한 실리콘 소재는 성형용 실리콘과 같은 특성을 보입니다. 이 소재는 압축, 밀봉, 반복적인 변형을 견디며, 시간이 지남에 따라 노화되는 방식이 실리콘 유사 소재가 일반적으로 따라올 수 없는 수준입니다.

이는 개념 단계에서 실제 적용 단계로 넘어갈 때 중요한 요소입니다. 부품이 실제 환경에서 장기간 성능을 발휘해야 하는 경우, 외관보다 소재의 거동과 노화 현상이 더 중요합니다.

유연한 3D 프린팅을 위한 Stratasys 기술

Stratasys는 각기 다른 유형의 응용 분야에 적합한 다양한 기술을 통해 유연한 3D 프린팅을 지원합니다. 선택은 단순히 소재가 얼마나 부드러운지에만 국한되지 않고, 부품이 어떤 성능을 발휘해야 하는지, 어떻게 사용될지, 그리고 출력물의 일관성이 어느 정도여야 하는지에 더 중점을 둡니다.

즉, 내구성이 뛰어난 기능성 부품에는 FDM을, 고해상도의 고무와 유사한 프로토타입에는 PolyJet을, 생산 성능에 가까운 엘라스토머 응용 분야에는 P3를 선택해야 합니다. 각 기술은 내구성, 사실성, 소재 거동 측면에서 서로 다른 영역을 차지합니다.

유연한 필라멘트용 FDM

FDM은 기능성 유연 부품, 특히 내구성과 내마모성이 필요한 부품에 이상적입니다.

TPU 92A와 같은 소재는 한 번만 구부러지는 것이 아닙니다. 이 소재는 파손되지 않고 반복적인 굽힘, 마모, 일상적인 사용에 견딥니다. 그렇기 때문에 보호 커버, 덕트, 씰, 로봇 팔 끝단 공구 등에 사용되는 것을 볼 수 있습니다. 표면 마감 품질은 최고 수준은 아닐 수 있지만, 작업장이나 생산 현장에서 사용하기에 충분히 견고하고, 예측 가능하며, 신뢰할 수 있는 부품을 얻을 수 있습니다.

엘라스토머 소재를 사용함으로써 폴라리스 팀은 자사 차량 중 하나의 흡기 덕트에 대해 기하학적으로 정확한 여러 가지 설계를 신속하게 반복 개발하고 테스트할 수 있게 되었습니다.

완벽한 디자인 자유도를 바탕으로 복잡한 형상을 프린팅하세요

유연한 소재를 사용하면 기존 제조 방식으로는 구현하기 어렵거나 불가능했던 형상을 설계할 수 있습니다. 여기에는 일체형 씰, 스냅핏 구조, 유연한 경첩, 언더컷 및 다중 소재 부품 등이 포함됩니다.

PolyJet 디지털 소재 혼합 기술을 사용하면 단일 제작 과정에서 경질 소재와 유연 소재를 결합할 수 있어, 조립 과정 없이도 오버몰딩 방식의 설계를 구현할 수 있습니다. 이는 소프트 터치 영역, 그립, 또는 층별 소재 특성이 필요한 제품에 유용합니다.

유연한 소재를 사용하면 움직임이나 접촉에 의존하는 설계의 시제품 제작 및 반복 개선이 더 쉬워집니다. 거동 특성을 대략적으로 추정하는 대신, 씰이 압축되어 고정되는 방식, 그립의 촉감, 하중을 받았을 때 부품이 반응하는 방식 등을 직접 테스트할 수 있습니다.

유연한 소재는 겉보기에는 비슷해 보일지라도 실제 거동은 상당히 다양합니다. 쇼어 경도는 유용한 출발점이 되지만, 실제 사용 시 성능은 신장률, 강도, 그리고 소재의 가공 방식에 따라 달라집니다.

아래 표는 FDM 유연 필라멘트, PolyJet 고무 유사 광경화성 수지 및 Digital Anatomy 소재, P3 DLP 엘라스토머의 일반적인 특성을 비교한 것입니다.