3D 프린팅 기술이 왜 점점 강세를 보이며 기존의 전통적인 제조 기술을 대체하고 있는지 궁금하신 적이 있나요?
이러한 변화가 일어나는 이유를 나열해 본다면, 틀림없이 '맞춤화'가 가장 먼저 떠오를 것입니다. 사람들은 개인화된 경험을 원하고, 표준화에는 관심이 적습니다.
사람들의 행동 양식 변화와 3D 프린팅 기술이 맞춤 제작을 통해 개인화된 제품에 대한 사람들의 욕구를 충족시킬 수 있는 능력 덕분에, 기존의 표준화 기반 제조 기술을 대체할 수 있게 된 것입니다.
유연성은 사람들이 개인 맞춤형 제품을 추구하는 숨겨진 이유 중 하나입니다. 시장에 유연한 3D 프린팅 소재가 출시되어 사용자들이 더욱 유연한 부품과 기능성 프로토타입을 개발할 수 있게 된 것은 일부 사용자들에게 더할 나위 없이 좋은 소식입니다.
3D 프린팅으로 제작된 패션 의류와 3D 프린팅으로 제작된 의수는 3D 프린팅의 유연성을 제대로 활용할 수 있는 대표적인 사례입니다.
고무 3D 프린팅은 아직 연구 단계에 있으며 개발이 필요한 분야입니다. 현재로서는 고무 3D 프린팅 기술이 완전히 상용화되지 않았기 때문에, 고무 소재를 3D 프린팅할 수 있는 기술이 개발될 때까지는 다른 대안을 사용해야 할 것입니다.
연구에 따르면 고무와 가장 유사한 대체재는 열가소성 엘라스토머라고 합니다. 이 글에서는 네 가지 유형의 유연한 소재에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
이러한 유연한 3D 프린팅 소재에는 TPU, TPC, TPA, 그리고 소프트 PLA가 있습니다. 먼저 유연한 3D 프린팅 소재에 대해 간략하게 설명드리겠습니다.
가장 유연한 필라멘트는 무엇일까요?
다음 3D 프린팅 프로젝트에 유연한 필라멘트를 선택하면 출력물에 적용할 수 있는 다양한 가능성이 열릴 것입니다.
플렉스 필라멘트를 사용하면 다양한 물체를 출력할 수 있을 뿐만 아니라, 듀얼 헤드 또는 멀티 헤드 익스트루더가 장착된 프린터를 사용하는 경우 이 소재로 매우 놀라운 결과물을 출력할 수 있습니다.
맞춤형 슬리퍼, 스트레스 해소용 볼 헤드 또는 간단한 진동 감쇠기와 같은 부품 및 기능 프로토타입은 프린터를 사용하여 출력할 수 있습니다.
만약 플렉시 필라멘트를 출력물에 사용하기로 결심했다면, 상상했던 것들을 현실에 가장 가깝게 구현하는 데 성공할 수 있을 것입니다.
오늘날 이 분야에는 다양한 선택지가 있기 때문에, 이 프린팅 재료가 없었다면 3D 프린팅 분야가 얼마나 오랜 시간을 흘러갔을지 상상하기조차 어려울 것입니다.
당시 사용자들에게 있어서, 유연한 필라멘트로 출력하는 것은 정말 골칫거리였습니다. 그 이유는 여러 가지가 복합적으로 작용했는데, 그중 가장 큰 문제는 바로 이 소재들이 매우 부드럽다는 점이었습니다.
유연한 3D 프린팅 소재의 부드러운 성질 때문에 아무 프린터로나 출력하기에는 위험했고, 정말 믿을 수 있는 프린터가 필요했습니다.
당시 대부분의 3D 프린터는 노즐을 통해 단단하지 않은 재료를 밀어 넣으면 휘어지고 뒤틀리며 제대로 밀어 넣지 못하는 문제를 겪었습니다.
바늘에서 실을 뽑아 천을 꿰매는 것에 익숙한 사람이라면 누구나 이 현상에 공감할 수 있을 것입니다.
밀어내는 효과 문제 외에도, TPE와 같은 부드러운 필라멘트를 제조하는 것은 특히 높은 정밀도를 확보하는 데 있어 매우 어려운 작업이었습니다.
정밀도가 떨어지는 제품을 생산하기 시작하면, 제조된 필라멘트가 품질 저하, 걸림, 압출 불량 등의 문제를 겪을 가능성이 있습니다.
하지만 상황은 바뀌었습니다. 현재는 탄성까지 갖춘 다양한 종류의 연질 필라멘트가 있으며, 그 부드러움의 정도도 다양합니다. 연질 PLA, TPU, TPE 등이 그 예입니다.
쇼어 경도
이는 필라멘트 제조업체들이 3D 프린팅 재료 이름과 함께 언급하는 일반적인 기준입니다.
쇼어 경도는 모든 재료가 압입에 저항하는 정도를 나타내는 척도로 정의됩니다.
이 척도는 과거 사람들이 물질의 경도를 논할 때 참고할 기준이 없던 시절에 만들어졌습니다.
따라서 쇼어 경도가 발명되기 전에는 사람들이 수치를 언급하는 대신 자신이 실험해 본 재료의 경도를 다른 사람들에게 설명하기 위해 경험을 활용해야 했습니다.
이러한 크기는 기능성 시제품의 부품 제조에 사용할 금형 재료를 선택할 때 중요한 요소가 됩니다.
예를 들어, 석고로 발레리나 입상 모형을 만들 때 사용할 고무를 두 종류 중에서 선택해야 한다면, 쇼어 경도(Shore hardness)를 기준으로 쇼어 경도 70A의 고무가 쇼어 경도 30A의 고무보다 덜 유용하다는 것을 알 수 있습니다.
일반적으로 필라멘트를 다룰 때 유연한 재료의 권장 쇼어 경도는 100A에서 75A 사이임을 알고 있을 것입니다.
당연히 쇼어 경도가 100A인 유연한 3D 프린팅 소재는 75A인 소재보다 더 단단할 것입니다.
연성 필라멘트를 구매할 때 고려해야 할 사항은 무엇일까요?
필라멘트를 구매할 때는 유연한 필라멘트뿐만 아니라 다양한 요소를 고려해야 합니다.
기능성 프로토타입의 보기 좋은 부품을 만들기 위해 가장 중요하게 생각하는 중심점에서부터 시작해야 합니다. 예를 들어 재료의 품질 같은 것이 될 수 있겠죠.
그렇다면 공급망의 신뢰성, 즉 3D 프린팅에 한 번 사용하는 재료가 지속적으로 공급될 수 있는지에 대해 생각해 봐야 합니다. 그렇지 않으면 결국 단종된 3D 프린팅 재료를 사용하게 될 것입니다.
이러한 요소들을 고려한 후에는 높은 탄성과 다양한 색상에 대해서도 생각해 봐야 합니다. 모든 유연한 3D 프린팅 소재가 원하는 색상으로 출시되는 것은 아니기 때문입니다.
이러한 모든 요소를 고려한 후에는 시장의 다른 회사들과 비교하여 해당 회사의 고객 서비스와 가격을 고려할 수 있습니다.
이제 유연한 부품이나 기능성 프로토타입을 출력하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 재료를 나열해 보겠습니다.
유연한 3D 프린팅 재료 목록
아래에 언급된 모든 재료는 유연하고 부드럽다는 기본적인 특성을 가지고 있습니다. 또한, 이 재료들은 뛰어난 피로 저항성과 우수한 전기적 특성을 지니고 있습니다.
이 소재들은 탁월한 진동 감쇠력과 충격 강도를 지니고 있습니다. 또한 화학 물질 및 기후 변화에 대한 저항성이 뛰어나며, 인열 및 마모 저항성도 우수합니다.
이 모든 소재는 재활용이 가능하며 충격 흡수 능력이 뛰어납니다.
유연한 3D 프린팅 소재를 사용한 프린팅을 위한 프린터 필수 조건
이러한 재료로 인쇄하기 전에 프린터를 설정해야 할 몇 가지 표준 설정이 있습니다.
프린터의 익스트루더 온도 범위는 210~260도 사이여야 하며, 베드 온도 범위는 출력하려는 재료의 유리 전이 온도에 따라 주변 온도에서 110도 사이여야 합니다.
유연한 소재로 인쇄할 때 권장되는 인쇄 속도는 초당 5mm에서 30mm 사이입니다.
3D 프린터의 압출 시스템은 다이렉트 드라이브 방식이어야 하며, 제작한 부품 및 기능성 프로토타입의 후처리 속도를 높이기 위해 냉각 팬을 사용하는 것이 좋습니다.
이러한 재료로 인쇄할 때 발생하는 문제점
물론, 이전에 사용자들이 겪었던 어려움을 바탕으로 이러한 재료로 인쇄하기 전에 주의해야 할 몇 가지 사항이 있습니다.
- 열가소성 엘라스토머는 프린터의 압출기에서 제대로 처리되지 않는 것으로 알려져 있습니다.
-필라멘트는 수분을 흡수하기 때문에 제대로 보관하지 않으면 출력물이 부풀어 오를 수 있습니다.
- 열가소성 엘라스토머는 급격한 움직임에 민감하여 압출기를 통과할 때 휘어질 수 있습니다.
TPU
TPU는 열가소성 폴리우레탄의 약자입니다. 시장에서 매우 인기 있는 소재이므로, 연성 필라멘트를 구매할 때 다른 소재에 비해 TPU를 접할 가능성이 높습니다.
이 제품은 다른 필라멘트에 비해 강성이 뛰어나고 압출이 더 용이한 것으로 시장에서 유명합니다.
이 소재는 강도가 괜찮고 내구성이 뛰어납니다. 탄성 범위는 600~700% 정도로 매우 높습니다.
이 소재의 쇼어 경도는 60 A에서 55 D 사이입니다. 인쇄성이 뛰어나고 반투명합니다.
이 소재는 자연에서 기름이나 오일에 대한 화학적 저항성이 뛰어나 3D 프린터에 사용하기에 더욱 적합합니다. 또한 내마모성이 매우 뛰어납니다.
TPU 소재로 출력할 때는 프린터 온도를 210~230도 사이로, 베드 온도는 가열하지 않은 상태에서 60도 사이로 유지하는 것이 좋습니다.
앞서 언급했듯이 인쇄 속도는 초당 5~30mm 사이여야 하며, 베드 접착을 위해서는 캡톤 테이프나 페인트용 테이프를 사용하는 것이 좋습니다.
압출기는 다이렉트 드라이브 방식이어야 하며, 이 프린터의 경우 적어도 초기 레이어 출력 시에는 냉각 팬 사용을 권장하지 않습니다.
티피
이들은 열가소성 코폴리에스터의 약자입니다. 화학적으로는 긴 사슬 또는 짧은 사슬 글리콜이 무작위 길이로 교대로 배열된 폴리에테르 에스테르입니다.
이 부분의 경질 부분은 단쇄 에스테르 단위이고, 연질 부분은 일반적으로 지방족 폴리에테르 및 폴리에스테르 글리콜입니다.
이 유연한 3D 프린팅 소재는 엔지니어링 등급 소재로 간주되기 때문에 TPU처럼 흔히 볼 수 있는 소재는 아닙니다.
TPC는 밀도가 낮고 탄성 범위는 300~350%입니다. 쇼어 경도는 40~72D 범위입니다.
TPC는 화학 물질에 대한 내성이 우수하고 강도가 높으며 열 안정성과 온도 저항성이 뛰어납니다.
TPC로 출력할 때는 온도를 220~260도, 베드 온도를 90~110도, 출력 속도는 TPU와 동일하게 유지하는 것이 좋습니다.
티파
TPE와 나일론의 화학적 공중합체인 열가소성 폴리아미드는 나일론에서 오는 매끄럽고 광택 있는 질감과 TPE의 장점인 유연성을 결합한 소재입니다.
이 소재는 370~497% 범위의 높은 유연성과 탄성을 지니고 있으며, 쇼어 경도는 75~63A 범위입니다.
이 소재는 내구성이 매우 뛰어나며 TPC와 동일한 수준의 인쇄성을 보여줍니다. 또한 내열성과 층간 접착력도 우수합니다.
이 소재를 출력할 때 프린터의 익스트루더 온도는 220~230도, 베드 온도는 30~60도 범위여야 합니다.
TPU 및 TPC를 인쇄할 때 프린터의 인쇄 속도는 권장 속도와 동일하게 설정할 수 있습니다.
프린터의 베드 접착제는 PVA 기반이어야 하며, 압출기 시스템은 다이렉트 드라이브 방식과 보우덴 방식 모두 가능합니다.
게시 시간: 2023년 7월 10일