요약: 실제 산업 현장에서의 혹독한 조건을 견뎌야 하는 부품의 경우, 강하고 내구성이 뛰어난 폴리머를 3D 프린팅하는 것이 필수적입니다. 적합한 소재를 선택한다는 것은 단순히 ‘가장 강한’ 단일 옵션을 찾는 것이 아니라, 용도에 맞는 폴리머를 선정하는 것을 의미합니다. 인장 강도와 충격 강도부터 내열성 및 내화학성에 이르기까지, 모든 요소가 성능에 영향을 미칩니다. 사용 사례의 요구 사항에 따라 소재를 선택함으로써, 기능성 시제품과 최종 사용 부품 모두에서 신뢰성과 장기적인 내구성을 확보할 수 있습니다.
가혹한 산업 환경을 견딜 수 있는 부품을 출력해야 할 때는 내구성이 뛰어난 3D 프린팅 소재를 사용해야 합니다. 하지만 어떤 소재가 최선의 선택인지 항상 명확한 것은 아닙니다.
소재의 강도나 내구성을 설명하는 단일하고 보편적인 기준이 있어, 단순히 용도에 맞는 "가장 내구성이 뛰어난" 3D 프린팅 소재를 선택할 수 있다면 좋겠지만, 현실은 훨씬 더 복잡합니다:
위의 차트는 Stratasys가 제공하는 소재의 일부만을 보여주고 있으며, 이는 모든 폴리머 3D 프린팅 소재의 일부에 불과하고, 이는 물론 일반적인 소재의 일부에 해당합니다.
또한 이 차트는 해당 소재들의 인장 강도, 충격 강도, 열변형 온도만 보여줍니다. 소재의 강도와 인성을 측정하는 방법은 이 외에도 여러 가지가 있습니다.
기능성 시제품 제작이나 양산을 위해 적합한 폴리머를 선택하려면 단순히 인장 강도나 내열성만 비교하는 것 이상의 접근이 필요합니다. 용도마다 요구되는 기계적 특성의 우선순위가 다르며, 이러한 수치를 어떻게 해석할지 아는 것이 핵심입니다.
아래 섹션에서는 강도, 강성, 인성 같은 핵심 성능 지표를 정의하고, 3D 프린팅 기술별로 이러한 지표가 어떻게 다른지 비교해 보겠습니다. 이를 통해 장단점을 파악하고 귀하의 용도에 가장 적합한 소재를 선정하는 데 도움이 될 것입니다.
강도, 강성, 인성은 모두 내구성 있는 소재의 중요한 특성입니다. 하지만 이 용어들은 실제로 무엇을 의미할까요? 내구성이 뛰어난 3D 프린팅 소재를 선택할 때 어떤 특성을 우선시해야 할까요?
내구성이 뛰어난 부품이 필요할 때는, 제조된 부품의 신뢰성과 내구성을 보장하기 위해 위의 특성을 바탕으로 3D 프린팅 소재를 선택하십시오. 소재 사양 외에도, 기반이 되는 3D 프린팅 기술 역시 결정에 중요한 영향을 미쳐야 합니다.
그럼, 다음 각 범주에서 강도가 높은 3D 프린팅 소재를 살펴보겠습니다:
“강도 높은 3D 프린팅 소재”라고 하면 아마도 FDM 필라멘트가 가장 먼저 떠오를 텐데, 이는 당연한 일입니다. FDM(용융 적층 성형)은 현재 시중에서 가장 강도가 높은 3D 프린팅 필라멘트 중 하나로 알려져 있습니다.
|
재료 |
노치 충격 강도 (J/m) |
파단 신장률 (%) |
파단 인장 강도 (MPa) |
파단 시 굽힘 강도 (MPa) |
264 psi에서의 HDT (°C) |
|
PC-ABS |
241 |
4.7 |
34.7 |
(파단 없음) |
112 |
|
ABS-M30i™ |
139 |
4 |
36 |
61 |
82 |
|
나일론 12 |
138 |
30 |
33.4 |
(파단 없음) |
75.3 |
|
나일론 12CF |
106 |
2.4 |
83.5 |
153 |
154 |
|
ABS-M30™ |
101 |
8.1 |
28.1 |
(파단 없음) |
99.9 |
|
ULTEM™ 9085 |
88.5 |
5.4 |
68.1 |
104 |
172.6 |
여기에는 분명한 장단점이 있다는 것을 알 수 있습니다. 낙하 충격이나 일반적인 마모에 대해 가장 견고한 필라멘트를 원한다면 PC-ABS를 선택할 수 있습니다. 어느 정도의 연성이 필요하다면 나일론 12가 더 적합해 보입니다. 매우 높은 강도와 내열성이 필요하다면 ULTEM™이 가장 적합할 것입니다.
한 엔지니어링 회사는 탄소 섬유 소재인 나일론 12CF를 사용하여 해상 위성 안테나용 경량 고강도 지지대를 제작했습니다. 이 소재의 높은 인장 강도와 강성은 F900 프린터의 넓은 빌드 챔버와 결합되어 이 용도에 이상적인 선택이 되었습니다. 3D 프린팅으로 제작된 안테나 지지대는 생산 비용을 20% 절감하고, 생산 시간을 75% 단축하며, 부품 무게를 38% 줄였습니다.
FDM과 관련하여 또 한 가지 주목할 점은 일반적으로 이방성(isotropic)이 아니라는 것입니다. 즉, 인쇄된 층을 가로지르는 방향보다 각 층 내부의 강도가 더 높습니다. 이러한 이유로 일반적으로 XZ 방향 강도와 ZX 방향 강도라는 두 가지 별개의 사양을 확인할 수 있습니다. (위에 제시된 사양은 XZ 방향에 대한 것입니다. 전체 사양이 포함된 데이터시트는 여기에서 확인할 수 있습니다.)
FDM 기술은 '최소-최대(min-max)' 접근법의 전형적인 예입니다. 강도가 높거나 크기가 큰 물체를 출력해야 할 때, 이는 종종 최상의 해결책이 됩니다. 게다가 FDM 장비는 일반적으로 통합 및 사용법을 익히기 가장 쉬운 편에 속합니다.
외관이 중요한 경우, FDM 기술은 출력물에 층 계단이 눈에 띄게 남는 경향이 있으므로 최선의 해결책이 아닐 수 있습니다. 또한 FDM은 여러 색상이나 소재가 혼합된 부품, 또는 매우 높은 해상도의 섬세한 디테일이 필요한 부품의 출력에 적합하지 않습니다.
역사적으로 폴리젯(PolyJet) 기술은 FDM과 비교할 때 정반대의 위치에 있는 것으로 여겨져 왔습니다. FDM이 강도에 최적화되어 있다면, 폴리젯은 미적 측면에서 선호됩니다.
PolyJet은 단일 인쇄 작업에서 여러 색상과 소재를 동시에 출력할 수 있습니다. 또한 매우 높은 해상도(최소 14μm의 레이어 두께)를 자랑합니다.
그러나 내구성에 있어서는 PolyJet이 일반적으로 첫 번째 선택지는 아닙니다. 하지만 최근 ToughONE 소재가 출시되면서 상황이 다소 바뀌었습니다. ToughONE은 강도, 내구성, 그리고 높은 표면 마감 품질을 독특하게 결합한 소재입니다. 이 소재는 기능성 시제품 제작은 물론 최종 부품 생산까지, 다양한 색상과 여러 소재와 함께 사용할 수 있습니다.
|
소재 |
노치 충격 강도 (J/m) |
파단 신장률 (%) |
인장 강도 (MPa) |
굽힘 강도 (MPa) |
264 psi에서의 HDT (°C) |
|
Vero® |
20-30 |
10-25 |
50-65 |
75-110 |
45-50 |
|
ToughONE™ |
90 |
47-58 |
48-53 |
77-87 |
59-62 |
|
ToughONE 강화형 |
90 |
22-36 |
61-63 |
85-87 |
75-77 |
|
디지털 ABS™ |
90-110 |
25-40 |
55-60 |
65-75 |
51-55 |
|
RGD525™ |
14-16 |
10-15 |
70-80 |
110-130 |
55-57 |
PolyJet은 높은 정밀도, 미세한 디테일, 매끄러운 표면 마감이 중요한 용도에 이상적입니다. 특히 다음 용도에 적합합니다:
SAF(선택적 흡수 융합)는 파우더 베드 융합(PBF)의 일종으로, 다음과 같은 고강도 소재를 자랑합니다:
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재료 |
노치 충격 강도 (kJ/m²) |
파단 신율 (%) |
인장 강도 (MPa) |
굽힘 강도 (MPa) |
264 psi에서의 HDT (°C) |
|
나일론 PA12 |
4.17 |
11 |
47 |
54 |
77 |
|
고수익 PA11 |
7.4 |
30 |
51 |
51 |
47 |
|
폴리프로필렌 |
3.5 |
22 |
26 |
28 |
56 |
이 경우에도 강성이 매우 높은(높은 굽힘 강도) 3D 소재와 내구성이 뛰어난(높은 충격 강도) 3D 소재 간에는 명확한 차이가 있습니다. 내열성 또한 여기서 중요한 요소입니다.
한 제조 서비스 업체는 SAF를 활용해 항공우주 산업용 부품을 생산했으며, 여기에는 제조 지그, 고정구, 공구 및 양산 부품이 포함되었습니다. 3D Composites는 강성, 형상 정밀도 및 강도를 고려하여 나일론 PA12를 선호했습니다. SAF를 통해 일관된 품질로 대량 생산이 가능해져 부품당 비용과 리드 타임을 절감할 수 있었으며, 이를 통해 회사는 촉박한 생산 기한을 준수할 수 있었습니다.
SAF는 높은 반복성과 부품당 저렴한 비용으로 잘 알려져 있습니다. 12시간의 단일 인쇄로 수백 개의 부품을 인쇄할 수 있어 연간 수만 개에 달하는 생산량을 달성할 수 있으며, 뛰어난 강도 사양과 더불어 중~대량 생산에 특히 적합합니다.
SAF는 매우 매끄러운 표면 마감이 필요한 용도에는 권장되지 않습니다. 이러한 경우에는 PolyJet, SLA 또는 P3 DLP 솔루션을 선택하는 것이 더 나을 수 있습니다.
P3 DLP 프린터는 뛰어난 강도와 소재 성능, 그리고 탁월한 표면 마감 및 정밀도를 동시에 갖춘 드문 조합으로 유명합니다. 이로 인해 부품이 일상적인 사용을 견딜 만큼 충분히 강해야 하면서도 높은 수준의 표면 마감과 정밀도가 요구되는 생산 보조 도구 및 기타 소량 생산에 이상적입니다.
|
소재 |
충격 강도 (J/m) |
파단 신율 (%) |
인장 강도 (MPa) |
66 psi에서의 HDT (°C) |
|
LOCTITE® 3D 3172 |
73 |
105 |
39 |
51 |
|
록타이트 3D 3843™ |
53 |
43 |
51 |
63 |
|
록타이트 3D IND405™ |
51 |
101 |
45 |
53 |
|
DURA5™6 |
55 |
78 |
42 |
52 |
이 장비는 매우 다양한 상황에서 잘 작동하기 때문에, '사용해야 할 때'에 대한 설명은 생략하고 '사용하지 말아야 할 때'를 언급하는 편이 더 간단합니다. P3 DLP가 성능이 떨어지는 분야는 기본적으로 두 가지뿐입니다:
자신의 요구 사항에 가장 적합한 3D 프린팅 기술이 무엇인지 파악했다면, 이제 적층 제조(AM)에 적합한 소재를 선택해야 합니다. 소재의 다양한 특성을 고려해야 합니다:
다음 프로젝트에 사용할 수 있는 재료 사양에 대해 궁금한 점이 있다면, 저희 전문가에게 문의하여 프로젝트의 세부 사항에 대해 상담해 보십시오. 그것이 바로 저희가 존재하는 이유입니다.
