레진 vs 필라멘트: 3D 프린팅 소재 중 무엇이 더 강할까?

3D 프린팅 커뮤니티에서는 레진과 필라멘트 프린터의 장단점을 두고 오랜 시간 열띤 논쟁이 이어져 왔습니다. 주로 논의되는 주제는 출력물의 품질, 소재 비용, 그리고 각 기술별 출력 시간 등입니다.

하지만 구조적 특성, 즉 인장 강도와 충격 저항성이 요구되는 부품을 출력해야 할 때가 있습니다. 이때 레진 출력물이 필라멘트 출력물보다 강한지, 약한지 판단해야 할 필요가 생깁니다.

결론부터 말하자면, 강도 측면에서는 FDM(필라멘트) 출력물이 레진 출력물보다 우수합니다. 이는 충격 저항성과 인장 강도 모두에서 해당됩니다. PLA, ABS, PETG, 나일론, 폴리카보네이트 등 널리 쓰이는 거의 모든 필라멘트가 일반 레진 출력물을 능가합니다. 다만, '터프 레진(Tough Resin)'의 경우 ABS, PETG, 나일론보다 강하다는 점은 짚고 넘어가야 합니다.

레진 vs 필라멘트 인장 강도 비교

각종 필라멘트와 레진의 인장 강도 (단위: MPa)

소재	MPa
폴리카보네이트	67
PLA	64
터프 레진	55
PETG	50
나일론	48
ABS	38
일반 레진	23

인장 강도는 소재가 끊어질 때까지 견딜 수 있는 응력의 양을 측정합니다. 동일한 형상의 부품이라도 사용 소재에 따라 파괴 지점의 인장 강도는 달라집니다.

이는 산업 전반에서 흔히 시행되는 테스트지만, 정확한 결과를 얻으려면 실제 적층 공정 과정을 변수로 고려해야 합니다.

일반적으로 3D 레진 출력은 충격 저항성이 낮다고 알려져 있습니다. 또한 주기적으로 자외선에 노출되는 레진 제품의 지속적인 경화(후경화) 현상도 우려됩니다. 반면 PLA는 저렴하고 내열성이 낮은, '최후의 수단'쯤으로 치부되곤 합니다.

이런 통념은 사실과 거리가 멉니다. 공정하고 정밀한 테스트를 통해 진실이 드러납니다. 여기 Airwolf 3D가 ISO 527* 표준에 따라 다양한 FDM 필라멘트 타입으로 실시한 인장 강도 테스트의 기본 개요를 소개합니다. 여러 소재로 후크를 만들어 테스트했습니다.

*: 이 지침은 지정된 조건 하에서 열가소성 플라스틱의 인장 특성을 결정하는 일반적인 조건을 명시합니다.

PLA

출력 베드는 60°C로 설정했고, 밀폐 챔버 없이 중간 수준의 열을 유지하며 후크를 출력했습니다. PLA 후크는 285파운드(약 129kg) 하중을 견뎠으며, 이는 64.4 MPa의 인장 강도에 해당합니다. 하지만 함정이 있습니다.

PLA는 시간이 지남에 따라 인장 강도를 잃습니다. 따라서 장난감이나 장식용 같이 지정된 용도로만 사용해야 하며, 높은 인장 강도가 요구되는 용도에는 부적합합니다.

PETG

PETG는 50.0 MPa로 측정되었는데, PLA보다 강할 것이라는 예상을 뒤엎는 결과입니다. toms3d.org의 또 다른 테스트에서는 PLA와 PETG를 대상으로 적층 방향(수직/수평)에 따른 영향을 알아보기 위해 각각 두 개의 시편을 출력해 굽힘 테스트를 진행했습니다.

먼저 수직 출력 시편(층간 접착력 테스트)을 시험했습니다. PLA 시편은 8kg 미만에서 버텼으나 PETG는 5.9kg에서 파단했습니다. 두 번째 수평 출력 시편(소재 자체 강도 테스트)에서는 PLA가 16.6kg을 버텼지만, PETG는 끊어지지 않고 휘기만 했습니다.

요약하면 PETG는 PLA처럼 특정 하중에서 뚝 끊어지지 않고 유연하게 휘어지는 특성이 있지만, 순수 인장 강도 수치상으로는 PLA가 더 강합니다.

ABS

ISO 527 테스트에서 ABS는 38.6 MPa로, PLA와 PETG보다 현저히 약했습니다. 후크 테스트에서도 PLA가 견뎠던 285파운드 하중에서 즉시 파단했습니다.

ABS는 일상 용품에 쓰이는 '진짜 엔지니어링 소재'로 통하지만, 이런 용도들은 인장 강도를 요구하지 않습니다. ABS의 인장 강도는 4700 psi(32.4 MPa) 수준입니다.

폴리카보네이트 (PC)

기본 후크 테스트에서 폴리카보네이트 필라멘트는 고온 출력 조건(베드 145°C 이상, 익스트루더 290°C 이상)에서 진행되었습니다. 일반 취미용 프린터로는 도달하기 어려운 온도대입니다.

685파운드(약 310kg) 하중을 견뎌 9800 psi(67.6 MPa)를 기록, 인장 강도 부문에서 압도적인 1위를 차지했습니다.

나일론

나일론은 단일 소재가 아니므로 종류별 인장 강도 편차가 크지만, 추정치는 7000 psi(48.3 MPa)로 ABS보다 우수하나 PLA보다는 낮습니다. 후크 테스트에는 나일론 910을 사용했으며(노즐 250°C, 베드 70~100°C), 휘어짐을 보이다가 485파운드에서 파단했습니다.

PETG와 마찬가지로 PLA보다 유연하게 변형되는 특성을 보입니다.

레진

레진 테스트는 앞선 필라멘트 테스트팀과 다른 팀이 수행했지만, 동일한 조건을 재현해 결과의 타당성과 비교 가능성을 확보했습니다.

레진은 인장 강도 면에서 매우 약한 소재로 통하는데, 결과도 이를 뒷받침합니다. 일반 레진은 23.4 MPa에 그쳐 테스트된 모든 필라멘트보다 낮았습니다.

하지만 SLA 프린팅 분야에서 눈부신 발전이 있었고, 인장 강도 개선에도 많은 노력이 집중되었습니다. 주요 레진 제조사 모두 '터프(Tough)' 레진을 내놓고 있는데, 이는 단순한 마케팅 용어가 아닙니다. 예컨대 eSun의 터프 레진은 55 MPa의 인장 강도를 자랑합니다.

이는 제조사들이 3D 프린팅 산업의 갈수록 높아지는 요구 사항을 충족시키려 애쓰고 있음을 보여줍니다.

일반 레진과 터프 레진의 차이

일반 레진은 응력 처리에 너무 약하고, 태양 자외선에 의한 지속적인 후경화 때문에 야외 사용이 권장되지 않습니다. 그러나 매우 강하게 제조된 레진들도 시장에 존재합니다.

레진 개발에는 빠른 기술 혁신이 이어지고 있으며, 새로운 응용 분야가 끊임없이 발견되고 있습니다. 주조용 레진은 주얼리 제조와 치과 분야에서 널리 쓰입니다.

일반 레진과 터프 레진의 핵심 차이는 인장 강도로, 터프 레진은 일반 레진의 약 2배 강도를 가집니다.

테스트에는 애니큐빅 컬러 UV 레진(일반)을 기준으로, 폼랩(Formlabs) Tough 2000, eSun Hard-Tough, 시라야 테크(Siraya Tech) Blu 등 터프 레진들을 비교했습니다. 결과는 예상대로였습니다. 일반 레진 23.4 MPa 대비, 폼랩 46 MPa, eSun 55 MPa, 시라야 테크 44 MPa를 기록했습니다.

테스트 수치상 터프 레진이 월등히 강함은 분명하지만, 이 결과가 여러분의 프로젝트에 그대로 적용되지는 않습니다. 구조 설계와 용도가 주된 변수이기 때문입니다. 터프 레진이 강하다 해도, 테스트 수치만큼의 성능이 보장되지는 않습니다.

레진 vs 필라멘트 충격 강도 비교

소재 및 적층 방향별 충격 강도 (단위: J/m)

	평평(Flat)	수평(Horizontal)	수직(Vertical)
폴리카보네이트	354	515	42
나일론	325	249	60
프루사 터프 레진	280	280	280
PETG	239	178	35
PLA	153	113	77
ABS	129	149	55

충격 강도는 인장 강도와 달리, 표준 시편이 견딜 수 있는 충격량과 흡수된 충격 에너지를 측정합니다. 테스트에는 아이조드(Izod) 충격 시험법이 쓰였으며, 평평(Flat), 수평(Horizontal), 수직(Vertical) 세 가지 방향의 시편으로 진행했습니다.

PLA

• 평평: 152.52 J/m
• 수평: 113.21 J/m
• 수직: 77.42 J/m

PETG

• 평평: 238.98 J/m
• 수평: 178.09 J/m
• 수직: 35.45 J/m

ABS

• 평평: 128.69 J/m
• 수평: 149.14 J/m
• 수직: 55.14 J/m

폴리카보네이트

• 평평: 354.15 J/m
• 수평: 514.90 J/m
• 수직: 42.03 J/m

나일론

• 평평: 324.90 J/m
• 수평: 248.86 J/m
• 수직: 59.61 J/m

필라멘트 종류별로도, 적층 방향별로도 수치가 제각각입니다. 수직 테스트에서는 PLA가 77.42 J/m로 가장 높고 PETG가 35.45 J/m로 가장 낮았습니다. 폴리카보네이트와 나일론은 전반적으로 비슷하지만, 수평 테스트에서 폴리카보네이트(514.90 J/m)가 나일론(248.86 J/m)의 두 배 이상을 기록했습니다.

일반 레진과 터프 레진의 충격 강도 차이

일반 레진과 터프 레진의 충격 강도 비교는 아이조드 테스트와 필라윈(Filaween) 스코어링 방식으로 진행되었습니다. 톰은 엘레구(Elegoo) ABS-like 클리어 레드 레진(일반)과 프루사(Prusa) 마룬 '터프' 레진을 사용했고, 결과는 명백했습니다.

레진은 등방성 소재이므로 방향별 시편이 필요 없어 각각 한 개씩만 테스트했습니다. 프루사 터프 레진은 280 mJ로, PLA 수준과 견줄 만했습니다.

가장 강한 필라멘트는?

제조사, 리뷰어, 사용자 사이에서 폴리카보네이트(PC)가 가장 강한 필라멘트라는 데 이견이 없습니다.

적절한 온도에서 올바르게 출력하면 폴리카보네이트는 매우 강하고 오래가는 부품을 만들 수 있습니다. 다만 오버행과 세밀한 디테일에는 약하고, 출력 난이도가 높습니다. 높은 내열성과 양호한 충격 저항성(위 표 참조)을 겸비했습니다.

나일론도 폴리카보네이트에 필적할 만큼 높은 평가를 받습니다. Airwolf 테스트에서 나일론 910은 7000 psi 강도를 보였고, 출력된 클립이 485파운드를 버텼습니다. MatterHackers의 나일론 X 필라멘트 테스트에서도 후크가 364파운드를 견뎠습니다. 많은 리뷰어가 나일론의 강도와 내구성을 PLA보다 높게 평가합니다.

나일론은 흡습성(수분 흡수)이 강해 완전히 건조하지 않으면 출력 오류가 발생합니다. 출력 온도(220~270°C)도 높고 워핑(변형) 경향이 있습니다. 하지만 충격·피로·내열성이 뛰어나고, 폴리카보네이트보다 출력이 쉽다는 장점이 있습니다.

추천 나일론 및 폴리카보네이트 필라멘트:

FDM 출력물 강도를 높이는 방법

강한 FDM 출력은 모든 사용자의 바람입니다. 직교 인필(rectilinear infill) 사용, 쿨링 감소, 압출 폭 증가, 퍼리미터(외벽) 수 증가, 레이어 두께 감소 등 검증된 방법들이 있습니다. 이 팁들은 수많은 3D 전문가와 애호가들에 의해 검증되었습니다.

직교(Rectilinear) 또는 허니콤(Honeycomb) 인필 패턴 사용

인필 패턴은 강도 향상에 확실히 기여하지만, 만능은 아닙니다. 허니콤 구조는 뛰어난 강도로 런플랫 타이어에도 쓰입니다. 기술적으로는 직교 패턴이 하중 방향을 고려할 때 가장 강하지만, 직교 방향으로는 약합니다.

직교 패턴은 필라멘트 사용량을 줄이고 출력 속도를 높여 허니콤보다 최대 30% 빠릅니다. 직교 패턴은 한 방향에 강하고, 허니콤은 전 방향에서 균일한 강도를 내 전반적으로 믿을 만합니다.

출력물 어닐링(Annealing) 처리

어닐링은 금속이나 사출 플라스틱 부품 제조에서 흔히 쓰는 공정입니다. 간단히 말해 온도를 높여 경도, 인장 강도, 내열성을 개선하는 과정입니다. 3D 프린팅에서는 덜 알려져 있지만 적용 가능하며, 최적 온도를 찾기 위한 실험이 필요합니다.

가정에서는 오븐을 이용해 출력물을 가열할 수 있으나, 온도를 면밀히 모니터링하고 출력물 전체에 균일하게 열이 전달되도록 해야 합니다.

어닐링은 플라스틱을 유리 전이 온도까지 가열해, 형태는 유지하면서 분자 배열을 더 유동적인 상태로 재배열함으로써 내부 응력을 줄이고 구조를 강화합니다.

폴리머는 비정질(아모퍼스)과 반결정질 분자 구조로 이루어진 긴 사슬로 구성됩니다. 이들은 명확한 경계 없이 무작위 분포합니다. 결정질은 단단하고 비정질은 탄력적입니다.

노즐에서 녹아 나온 필라멘트는 비정질 상태이며 급속 냉각으로 이 상태가 유지됩니다. 어닐링은 비정질 플라스틱의 특성을 결정질 플라스틱으로 변화시킵니다.

PLA와 PETG는 어닐링 시 유의미한 개선을 보였으나, ASA와 ABS는 워핑 외에 큰 변화가 없었습니다. PLA는 인장 강도가 크게 향상되었고, PETG는 충격 내구성에서 큰 점수를 얻었습니다.

결론적으로 어닐링은 효과적인 수단이지만, 디테일한 출력물에는 변형 등 부작용을 일으킬 수 있습니다.

추가 고려사항

출력물의 용도를 고려해 강점과 약점을 판단해야 합니다. 적절한 필라멘트나 레진 선택 외에도 여러 요인이 출력물의 실용성에 영향을 줍니다.

이방성(Anisotropic) vs 등방성(Isotropic)

이방성은 측정 방향에 따라 물성 값이 달라지는 것으로, 직교 인필이 대표적입니다. 등방성은 측정 방향과 무관하게 일정한 값을 보이며, 허니콤 구조가 좋은 예입니다.

FDM 3D 프린팅에서 적층 방향(빌드 방향)은 이방성 결과를 낳습니다. 특히 Z축(적층 방향)의 층간 접착력이 낮아 X, Y축에 비해 인장 강도가 떨어집니다. 이방성을 고려하지 않으면 약한 방향에 힘이 가해질 때 출력물이 견디지 못합니다.

반면 SLA 프린팅은 레진이 등방성이라 방향에 따른 구조적 약점이 없습니다. 강도를 더 높이려면 레진 모델을 속이 비게(할로우) 만들지 않는 편이 낫습니다.

슬라이서 설정

강한 출력은 응력이 집중되는 부위에 더 많은 소재를 할당하는, 구조적 무결성에 초점을 맞춘 좋은 설계에서 시작됩니다. 위상 최적화(Topology optimization)는 이 과정을 자동화하며 기능성 설계에 자주 쓰입니다.

제작 공정도 최종 강도에 큰 영향을 미치며, 이는 슬라이싱 시 출력 설정으로 결정됩니다. 예컨대 레이어 높이를 높이면 FDM과 SLA 모두 강도가 향상됩니다. 인필 구조와 설정, 출력 속도, 압출 두께, 최적 온도도 강도에 기여합니다.

SLA 레진 프린터는 보통 100% 인필로 출력하지만, 일부 슬라이서는 내부 포켓의 레진을 배출해 절약하는 옵션을 제공합니다. 다만 출력물 무결성을 해치지 않으려면 설계상 속이 비어 있어선 안 됩니다.

출력 방식(적층 방향과 두께)

레이어 두께와 접착력은 출력물 전체 강도를 좌우하는 핵심 요소입니다. 레이어 두께와 출력 방향(수직/수평)이 미치는 영향을 알아보기 위해 여러 후크를 다양한 조건으로 출력한 테스트가 있습니다.

결과는 눕혀서 출력한 후크가 압도적으로 강했습니다. 이는 적층 라인이 가해지는 힘의 방향과 일치할 때 구조적 무결성이 확보됨을 의미합니다.

0.4mm 노즐로 0.05~0.4mm 레이어 높이로 출력했습니다. 두 방향 모두 0.1~0.2mm 구간에서 최고 성능을 보였고, 0.3mm와 0.4mm는 최악이었습니다.

따라서 부품 강도가 중요하다면 레이어 높이는 노즐 직경의 절반을 넘지 않아야 합니다. 자세한 테스트 내용은 CNCKitchen 영상을 참고하세요.

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초보자부터 중급자, 전문가까지 두루 추천할 만한 3D 프린터들을 엄선했고, 필라멘트와 업그레이드 파츠도 직접 테스트하고 신중히 골랐습니다. 어떤 걸 선택하든 제 성능을 발휘할 것입니다.