친환경 생분해성 3D 프린팅 소재: 지속 가능한 솔루션

3D 프린팅은 제조의 새로운 지평을 열었습니다. 이 적층 제조 공정은 단순 부품부터 고도로 복잡한 부품까지 빠르고 저렴하게 제조하는 데 사용됩니다. 오늘날 다양한 3D 프린팅 기술이 사용되고 있지만, 대부분은 광범위하게 정의된 동일한 작동 원리를 따릅니다. 즉, 소재를 반용융 상태로 가열하여 CAD 모델의 정보에 따라 3D 프린터가 레이어별로 적층하여 부품을 형성합니다. 3D 프린팅 공정은 소재가 특성의 큰 변화 없이 용융, 재성형, 재고화되거나 경화될 수 있어야 합니다.

이러한 이유로 필요한 특성을 갖춘 열가소성 플라스틱이 3D 프린팅에서 가장 흔히 사용되는 소재입니다. 그러나 플라스틱은 생분해되지 않으며, 제대로 폐기되지 않을 경우 환경에 위험을 초래합니다. 따라서 3D 프린팅과 호환되며 완전히 기능적인 부품을 제작하는 데 사용할 수 있는 생분해성(환경 친화적) 소재 개발에 막대한 노력이 기울여지고 있습니다.

이 글에서는 이미 시장에 출시된 PLA 같은 생분해성 3D 프린팅 소재와 효율적인 3D 프린팅을 위해 아직 개발 중인 소재들을 Xometry가 정리해 소개합니다.

PLA

PLA(Polylactic Acid, 폴리젖산)는 3D 프린팅에 사용되는 가장 대중적이고 접근하기 쉬운 생분해성 플라스틱입니다.

이 폴리에스터는 통제된 조건 하에 사탕수수, 전분 같은 탄수화물 공급원의 발효로 얻은 젖산에서 만들어집니다. PLA는 젖산 단량체의 직접 축합 또는 젖산 유도체인 락타이드의 중합으로 젖산으로부터 생산됩니다.

PLA는 주로 FDM 3D 프린팅과 결합하여 사용됩니다. 열가소성 수지로서 특성 손실 없이 녹여 재성형할 수 있습니다. 폴리프로필렌, 폴리우레탄과 비교할 만한 양호한 기계적 특성을 가지며, 열적 특성은 ABS에 비해 만족스럽지만 뛰어난 수준은 아닙니다.

생분해성 외에도 PLA의 장점은 다음과 같습니다:

• 자연적이고 재생 가능한 원료로 생산됨
• 식품 포장용으로 인증된 안전성
• 무독성으로 의료용 애플리케이션에 사용 가능

단점으로는:

• 특정 통제된 퇴비화 환경에서만 생분해됨
• 옥수수 등 대량의 식량이 바이오플라스틱 생산에 사용된다는 점에 대한 논란 존재
• 일반적인 석유 기반 플라스틱에 비해 강도와 결정성이 약간 부족함

PLA는 식기, 식품 포장, 의료, 섬유, 화장품 분야에 널리 사용되며, 가장 보편적인 3D 프린팅 필라멘트 중 하나입니다.

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Xometry의 3D 프린팅 소재 옵션 중 하나로 PLA를 자유롭게 선택해 보세요.

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PHA

PHA(Polyhydroxyalkanoates, 폴리하이드록시알카노에이트)는 특정 박테리아를 배양하여 생산되는 바이오플라스틱입니다. 이 소재는 박테리아 세포 내에서 합성되어 높은 반사율의 과립 형태로 추출됩니다.

PHA는 PLA에 비해 3D 프린팅에서의 인지도가 훨씬 낮으며 아직 개발 단계입니다. 현재는 시장에서 사실상 구할 수 없어 가격이 더 비쌉니다. 긍정적인 면은 1~3개월 만에 분해될 정도로 생분해 속도가 훨씬 빠르다는 점입니다. PHA 폴리머의 특성은 화학 조성에 따라 약간씩 달라지며, 열가소성이며 탄성이 있고 우수한 내습성을 가집니다.

PHA의 장점:

• 생분해성, 3개월 이내 분해
• 우수한 플라스틱 특성 보유
• 박테리아로부터 자연적으로 생산됨
• 내자외성

한계점:

• 생산 비용이 비쌈
• 소비자 접근성이 낮음

다른 바이오플라스틱과 비교 시 PHA는 유연성, 강도, 열적 특성이 더 낮습니다.

PHA는 여전히 3D 프린팅용으로 많은 연구가 진행 중이며, 현재 이 소재의 주된 용도는 다른 플라스틱과의 복합 소재 제작입니다.

FLAM

진균 유사 첨가제 소재(FLAM, Fungal-like Additive Material)는 3D 프린팅에 혁신을 가져올 잠재력을 가진 또 다른 천연 소재입니다. FLAM은 지구상에서 가장 풍부한 두 고분자인 셀룰로오스와 키틴으로 만들어집니다. 이 다재다능한 소재는 목공, 주조, 성형, 3D 프린팅에 적용 가능합니다. 기계적 특성은 폴리우레탄 폼과 거의 동일합니다. FLAM은 시장에서 쉽게 구할 수 없는 매우 새로운 소재로 추가 연구가 필요하지만, 이미 많은 잠재력을 보여주고 있습니다.

FLAM의 장점:

• 지속 가능하고 풍부한 천연 원료로 제작
• 다양한 제조 공정에 적용 가능한 높은 다재다능함
• 매우 저렴함, ABS나 PLA 대비 10분의 1 비용

한계점:

• 아직 많은 연구가 필요한 비교적 새로운 소재
• FLAM 3D 프린팅 공정이 복잡함

복합 소재

많은 생분해성 소재의 본질적 한계 때문에, 두 가지 이상의 소재를 결합해 새로운 소재를 만드는 복합 소재가 개발되고 사용되고 있습니다. 이러한 복합 소재는 모재의 장점을 결합하면서 단점을 상쇄하거나 크게 줄여줍니다. 3D 프린팅에 사용 가능한 생분해성 복합 소재에는 다음이 포함됩니다:

• 해조류 기반 PLA
• PLA + PHA
• WoodFill (70% PLA, 30% 목재 섬유)

하지만 아직 널리 사용되지는 않고 있습니다.

재활용 필라멘트

생분해성은 아니지만, 재활용 플라스틱으로 만든 필라멘트는 매립지로 갈 플라스틱을 활용하므로 환경적으로 책임 있는 선택입니다. 3D 프린팅에 사용되는 인기 플라스틱 대다수는 재활용 가능합니다.

결론

이제 세계는 플라스틱 오염의 위험성을 그 어느 때보다 분명히 인식하고 있으며, 플라스틱 사용을 줄이기 위한 다양한 조치가 취해지고 있습니다. 그 중 하나가 이 놀라운 제조 공정의 힘을 활용하면서 환경을 보호할 수 있도록 3D 프린팅 가능한 생분해성 소재를 개발하는 것입니다.

현재로서는 PLA만이 대량으로 구할 수 있는 생분해성 3D 프린팅 소재입니다. Xometry의 즉시 견적 플랫폼에 모델을 업로드하여 PLA 부품 견적을 받아보세요.