3D 프린팅 마스터하기: 간단한 어닐링 기법으로 품질 향상시키기

3D 프린팅을 해본 사람이라면 출력 완료 후 예상치 못한 결함을 마주한 경험이 있을 것입니다.

뒤틀림(Warping), 박리(Delamination) 등의 결함은 완벽해 보였던 출력물을 망가뜨릴 수 있습니다. 하지만 어닐링(Annealing) 과정을 거치면 이러한 문제를 예방하고 더 나은 품질의 출력물을 얻을 수 있다는 사실을 알고 계셨나요?

3D 프린팅은 세상을 뒤흔든 환상적인 기술이지만, 여느 기술과 마찬가지로 고유한 특성이 있습니다.

3D 프린트 어닐링이란?

3D 프린팅에서 가장 흔한 문제 중 하나는 출력물의 강도가 기대만큼 강하지 않다는 점입니다. 이는 주로 출력 과정에서 열이 충분히 가해지지 않아 플라스틱이 너무 빨리 식기 때문입니다.

출력물의 품질을 높이고 싶다면 어닐링을 적용해 보세요! 3D 프린트 어닐링은 출력물의 품질과 내구성을 크게 개선하는 훌륭한 방법입니다.

3D 프린팅에서 어닐링의 의미

어닐링은 금속의 물리적, 기계적 특성을 변화시키기 위해 어닐링 온도에서 열처리하는 공정입니다. 목적은 금속을 연화시키고, 응력을 제거하며, 연성과 인성을 향상시키는 것입니다.

금속 및 합금 제조, 금속 부품 제작에 널리 사용됩니다. 공정은 금속을 특정 온도로 가열하고 일정 시간 유지한 후, 천천히 실온으로 냉각하는 과정을 포함합니다.

3D 프린팅 어닐링 공정에서 알아야 할 핵심 팁

열 변형 온도(Heat Deflection Temperature)

어닐링은 더 높은 온도를 견딜 수 있는 금속에만 수행해야 합니다. 금속은 재결정 온도 또는 열 변형 온도 이상, 그러나 녹는점 미만으로 가열되어야 합니다.

녹는점(Melting Temperature)

또한 원하는 결과를 얻기 위해 어닐링 온도와 시간을 정밀하게 제어해야 합니다. 어닐링 후 금속을 실온 또는 녹는점까지 천천히 냉각합니다. 가스 오븐이나 전기 오븐 모두 사용할 수 있습니다.

가스 오븐에서는 적절한 온도로로 벽을 가열해 간접적으로 열을 가하고, 전기 오븐에서는 작업물을 직접 가열합니다.

PLA 어닐링 원리

PLA(폴리락트산) 어닐링은 필라멘트를 특정 온도로 가열하고 일정 시간 유지하여 소재 내 결정 구조를 분해하는 방식으로 작동합니다.

이후 통제된 조건(일반적으로 찬 공기 또는 물, 때로는 외부 핀이나 히팅 베드 같은 장비)에서 냉각합니다. 이 과정은 여러 번 반복 가능하며, 반복할수록 소재 물성이 지속적으로 개선됩니다.

PLA는 비정질 플라스틱으로, 금속이나 다른 결정질 소재처럼 규칙적으로 반복되는 원자 패턴이 없습니다. 불규칙한 비정질 영역과 결정립(Crystallite)이 혼재된 구조입니다. 긴 사슬 분자가 가열되면 이동성이 높아져 서로 더 쉽게 미끄러질 수 있게 됩니다.

왜 PLA에 어닐링이 필요한가?

PLA는 옥수수 전분과 설탕으로 만든 열가소성 수지로, ABS나 PETG 같은 다른 열가소성 수지보다 녹는점이 낮습니다. 익스트루더 노즐의 열에 의해 쉽게 녹을 수 있습니다.

낮은 녹는점 때문에 고온 출력 시 뒤틀림과 수축에 취약합니다.

PLA 어닐링은 고온 출력 공정에서 발생한 응력을 제거하고 연성과 인성을 향상시킵니다. 그 결과 어닐링된 부품은 뒤틀리거나 수축할 가능성이 낮아지고 파손에 더 강해집니다.

또한 PLA 필라멘트는 생분해성 소재로 만들어지는데, 어닐링 공정은 필라멘트에 추가적인 강도와 내구성을 부여하여 FDM 프린터에서의 사용 적합성을 높여줍니다.

PLA 출력물 어닐링 방법

어닐링 공정은 가스 또는 전기 오븐을 사용하여 수행할 수 있습니다. PLA 필라멘트 어닐링 시 필라멘트의 녹는점 이하 온도를 사용하는 것이 필수적입니다.

PLA 필라멘트 어닐링 권장 온도는 175°C입니다. 필라멘트를 이 온도로 가열하고 30~60분간 유지합니다. 시간이 지나면 필라멘트를 천천히 실온으로 냉각시킵니다.

어닐링 온도와 시간은 원하는 결과를 얻기 위해 정밀하게 제어되어야 하며, 어닐링 후 금속은 천천히 실온으로 냉각되어야 합니다.

오븐 없이 PLA 어닐링하여 뒤틀림 방지하기

PLA 어닐링의 주된 이유 중 하나는 뒤틀림 방지인데, 오븐 없이 어떻게 할 수 있을까요?

로(爐) 사용만큼 효과적이진 않지만, 출력물을 재결정시킬 만큼 가열하는 몇 가지 방법이 있습니다.

1. 첫 번째 방법은 출력물을 전기 핫플레이트 위에 올려놓고 온도를 약 100°C로 설정하는 것입니다. 핫플레이트가 수평인지 확인하여 가열 중 출력물이 뒤틀리지 않게 하세요!
2. 두 번째 방법은 헤어드라이어를 사용하는 것입니다. 약 15~20초간 부품에 바람을 향하게 한 후 건조기를 끄고 부품이 천천히 식도록 둡니다.
3. 세 번째 방법은 열풍기(Heat Gun)를 사용하는 것입니다. 열풍기를 출력물에서 약 15~20cm 거리에서 잡고 앞뒤로 천천히 움직이며 가열하는 것이 핵심입니다. 이 방법들 모두 오븐 사용만큼 효과적이진 않지만, 발생할 수 있는 뒤틀림을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

유리 전이 온도: PLA 어닐링 적정 온도는?

PLA 필라멘트 어닐링 권장 온도는 175°C이며 최대 60분이 소요됩니다. 다만 적절한 어닐링 시간은 소재에 따라 다를 수 있습니다.

필요한 시간이 지나면 필라멘트를 천천히 실온으로 냉각시킵니다. 일부 소재는 140~370°C의 유리 전이 온도에서 어닐링할 수도 있습니다.

어닐링이 3D 프린트 품질을 높이는 이유

이 공정은 더 균일한 결정립 구조를 가진 더 강한 금속 부품을 만듭니다. PLA 출력물을 어닐링하면 시간이 지나도 온도 변화로 인한 뒤틀림과 변형이 줄어듭니다.

레이어들이 서로 깔끔하게 정렬되어 있어 사후 샌딩 작업이 더 수월해집니다(원하는 경우).

어닐링된 ABS는 기존 용제 본딩 방식 대신 ABS 부품을 접착할 때 특히 유리합니다.

한 번 열처리된 3D 프린트는 모든 표면과 레이어가 유사한 결정 구조를 가지므로, 특히 같은 스풀에서 나온 경우 접착제나 에폭시와 더 잘 결합됩니다.

출력물 표면이 약간 더 반짝이고 선명해 보일 수 있는데, 어닐링 공정 중에 남아 있던 광택 PLA 바니시가 타서 없어지기 때문입니다.

열처리 후 접착되는 3D 프린트는 결합 레이어의 접촉 표면적이 더 넓기 때문에 도색되지 않은 것보다 클램핑이 덜 필요합니다.

금속 부품의 경우에도 특정 조건 하에서는 볼트나 리벳이 덜 필요합니다! ABS 필라멘트 어닐링은 압출 과정에서 ABS를 더 잘 녹게 하여 ABS로 출력하려는 경우에 유리합니다.

ABS 필라멘트가 아래 레이어와 더 잘 결합되게 하여 뒤틀림 가능성을 줄여줍니다.

투명 소재 어닐링

어닐링 유리, 용융 실리카, 사파이어 등 다양한 투명 소재가 있습니다. 이 소재들은 높은 광학 균질성을 가져 광섬유와 레이저 같은 용도에 매우 적합합니다.

유리 전이 온도에서 유리 같은 투명 소재를 어닐링해야 한다는 점을 절대 잊지 마세요. 다른 투명 소재들도 존재하지만 위에 언급된 세 가지만큼 투명하지 않을 수 있습니다.

예를 들어 창유리는 미세한 표면 불규칙성이 600나노미터 이하인 반면, 대부분의 사파이어는 수 마이크로미터 크기의 표면 특징을 가집니다!

어떤 소재를 어닐링하든 핵심은 재결정 온도(T) 이상으로 올리고, 충분한 수의 미세 결정이 성장할 만큼 충분히 유지하는 것입니다. 이는 특성적인 시간 의존 성장 곡선을 따릅니다.

핵의 수가 기하급수적으로 증가함에 따라, 새로운 결정이 형성되는 것보다 결정 성장에 더 많은 에너지가 투입되는 시점이 옵니다. 이 단계는 결정 크기의 순 변화가 없으므로 정적 재결정이라고 부릅니다.

이 시점에서 T는 어닐링 온도와 같아지므로, 온도를 더 높여도 결정 크기나 밀도에 변화가 생기지 않습니다!

냉각 속도가 핵 생성 속도를 결정하므로 성장한 결정의 모양을 좌우합니다. 느린 냉각 속도는 좁은 결정립을, 빠른 냉각 속도는 큰 결정립을 생성합니다.

최상의 결과를 얻으려면, 특히 용융 실리카(이산화 규소) 같은 고순도 소재를 어닐링할 때 T와 냉각 속도 모두를 제어하는 것이 필수적입니다.

어닐링 시간이 수 시간이면 온도는 0.1°C 이내로 유지해야 하지만, 짧은 어닐링 시간(몇 분)이면 허용 오차가 0.01°C까지 떨어질 수 있습니다.

냉각 속도의 경우 분당 50mm와 150mm의 차이가 심대할 수 있습니다. 순도가 낮은 소재는 보통 부정확한 T와 냉각 속도 제어에 더 관대합니다.

투명 소재는 어닐링 중 균열에 취약하다는 점에 유의하세요. 수조에서 통제된 냉각으로 응력 유입을 피하려 해도 위험할 수 있습니다!

PETG 어닐링: PETG도 어닐링 가능한가?

어닐링에 대해 가장 자주 묻는 질문 중 하나가 "PETG도 어닐링 가능한가?"입니다. 답은 다소 복잡합니다. PETG는 PLA와 ABS보다 재결정 온도가 훨씬 낮아 성공적으로 어닐링하기 어렵습니다.

그러나 재결정 온도 이상으로 올리고 충분히 오래 유지하면 PETG도 다른 소재처럼 어닐링됩니다. 주요 과제는 출력 중인 물체를 손상시키지 않으면서 필요한 온도를 달성하는 것입니다.

PETG는 PLA나 ABS보다 재결정 온도가 낮아 온도가 너무 높으면 손상되기 쉽습니다. 따라서 어닐링 온도는 더 낮게, 유지 시간은 더 길게 설정해야 성공적인 결과를 얻을 수 있습니다.

어닐링 후 PLA 수축률은 얼마나 될까?

PLA는 상당히 수축합니다. 모든 차원에서 최대 10%까지 수축하는 것이 드문 일이 아닙니다! 벽이 매우 얇거나 오버행이 긴 부품, 특히 지지대 없이 긴 오버행이 있는 경우 어닐링 후 눈에 띄게 뒤틀리고 모양이 변하므로 두 번 생각해야 합니다.

여기에는 출력물 측면의 오버행 챔퍼도 포함됩니다. 어닐링 후 가장자리가 서로 잘 정렬되게 하려면 바닥 레이어에 날카로운 모서리나 컷이 없어야 합니다. 이것들도 열처리 시 쉽게 응력을 받기 때문입니다.

평균적으로 ABS 출력물은 어닐링으로 인해 눈에 띄게 뒤틀리기 전에 모든 차원에서 약 2~3% 수축할 수 있습니다. 부품 모양도 약간 변할 수 있으며, 특히 벽이 매우 얇거나 오버행이 있는 경우 더욱 그렇습니다.

벽이 너무 얇아 어닐링 후 출력물 안쪽으로 휘어지지 않고 곧게 유지될 수 없다면, 빌드 플레이트에서 제거하려 할 때 부러질 가능성이 높습니다.

어닐링 후 출력물 세척 방법

연마제나 용제를 사용하여 콜드 베드 오즈(Cold-bed ooze)를 제거하면 부품을 제자리에 접착할 수 있습니다. 하지만 샌딩/스크래핑하는 동안 너무 많이 움직이면 출력물이 뒤틀리거나 갈라질 수 있으니 주의해야 합니다.

모델에 특히 얇은 부분(나사산이나 미세한 플라스틱 털 등)이 있다면 처리 후 더 가벼워져 완전히 부러질 수 있습니다. 면도날이나 줄로 모든 느슨한 끝을 긁어내서 정리하세요!

결론

어닐링은 필라멘트 내부 레이어를 펴주면서 외부는 그대로 유지하여 PLA와 PBS 출력물의 뒤틀림을 줄이는 최선의 방법입니다.

사용하기 전에 어닐링하여 3D 프린트를 더 깔끔하고 반짝이게 만드세요! 내부 레이어를 펴주어 다룰 때 뒤틀리지 않게 하므로 ABS 출력물에 줄 수 있는 최고의 처리법입니다!