3D 프린팅에서 등방성의 중요성

재료의 등방성은 측정 방향에 관계없이 속성의 균일성을 정의하는 품질입니다.

일반적으로 대부분의 열가소성 플라스틱은 등방성 소재로 간주됩니다. . 그 성질과 이를 구성하는 고분자 사슬 간의 응집력이 모든 방향에서 균일하기 때문에 기계적 특성도 균일합니다.

재료가 등방성이라는 사실 해당 재료로 만든 모든 제품이 이 품질을 유지한다는 의미는 아닙니다. 대부분의 경우 성형 또는 제조 방법으로 인해 원재료가 등방성이 있음에도 불구하고 조각이 이방성 또는 직교성이 될 수 있습니다.

예를 들어, 섬유 강화 열가소성 수지로 만든 조각입니다. 플라스틱 매트릭스에서 섬유는 무작위로 균일하게 배향되어 재료의 등방성을 유지합니다. 그러나 이 재료의 일부가 기계적 스트레칭 방법을 사용하여 제조되는 경우 섬유가 매트릭스 내에서 원하는 방향으로 재배향되어 재료가 비등방성이 되도록 할 수 있습니다. 경우에 따라 열가소성 수지 사출 공정 또는 수지 경화 중에 내부 응력이 발생하여 재료의 등방성 정도가 감소할 수 있습니다.

때때로 이 비등방성은 공학적 결정입니다. 부품이 지원할 하중을 고려하고 성능을 개선하거나 무게/저항 비율을 최적화하려고 합니다. 예를 들어 특정 방향으로 특성을 개선하기 위해 배향된 섬유 메쉬가 자주 사용되는 섬유 강화 복합재의 경우입니다.

이미지 1:등방성 및 이방성 재료. 출처:Instron.

그러나 이 이방성이 의도하지 않은 결과, 성형 또는 제조 방법의 산물인 경우 어떻게 됩니까? 이 경우 부품에 작용할 하중이 균일하지 않고 제조 후 부품의 등방성이 어떻게 변하는지 잘 알고 있는 경우 선호하는 방향이 하중 방향과 일치하도록 성형 공정 중에 방향을 조정할 수 있습니다. . 이는 설계 및 제조 작업을 크게 복잡하게 만들지만 해결 가능한 장애물이 될 수 있습니다.

그러나 부품에 하중이 작용할 방향을 선험적으로 알지 못하는 경우 그 속성이 모든 방향에서 균일하지 않다는 사실이 큰 문제가 될 수 있습니다. . 먼저 모든 방향의 특성을 테스트하고 피스의 저항과 같은 가장 낮은 값을 고려해야 합니다. . 둘째, 해당 부품이 언제 고장날지 결정하는 것이 훨씬 더 복잡합니다. , 하중이 가장 유리한 방향으로 작용할 때 유효 수명이 가장 불리한 방향으로 작용할 때보다 훨씬 길 수 있기 때문입니다.

이것이 기계적 또는 구조적 기능을 수행해야 하는 부품의 경우 등방성 제어가 매우 중요한 이유입니다.

3D 프린팅의 등방성

등방성이 확실히 영향을 받는 제조 방법 중 하나는 3D FDM 프린팅입니다. . 이 제조 방법은 용융 폴리머 실을 압출하여 부품을 층층이 형성하는 것을 기반으로 합니다.

미세 구조 수준에서 FDM을 사용하여 인쇄된 조각이 미세 다공성 구조인 것은 바로 이러한 이유 때문입니다. . 이것은 조각의 실제 섹션이 각 방향에 따라 다르다는 것을 의미합니다. 거시적 수준에서 측정할 수 있는 겉보기 단면과 관련하여. 또한 레이어 간의 응집력이 항상 이상적이고 재현 가능한 방식으로 발생하지는 않습니다.라는 또 다른 요인이 작용합니다.

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이미지 2:3D FDM 프린트의 미세 구조. 출처:Formlabs.

실제 부품 섹션과 겉보기 섹션 간의 불일치로 인해 세 축 모두에서 부품을 테스트할 때 겉보기 모듈러스도 달라집니다.

예를 들어 1cm ³ 의 정육면체를 테스트한다면 , 탄성 계수가 세 축에서 다른 것을 볼 수 있습니다. 이는 E =(F⁄S) / (∆L⁄L)을 계산할 때 S가 조각의 단면을 1cm ² 로 간주하기 때문입니다. 이미지 3에서 볼 수 있듯이 실제 섹션이 한 축에서 다른 축으로 다를 때 세 축의 경우.

이미지 3:패딩이 100%이고 모든 레이어가 같은 방향을 향하고 있는 인쇄 조각의 섹션

각 레이어의 인쇄 방향을 변경하여 이 효과를 최소화할 수 있습니다. 그림 4와 같이 레이어 방향을 90º로 지정하면 X 및 Y축에서 직교 이방성 조각을 얻을 수 있습니다 , 비등방성은 Z축에 유지됩니다.

이미지 4:100% 충전되고 각 레이어가 이전 레이어에 대해 90º 방향으로 배치된 인쇄된 부분의 섹션

이론적으로 각 레이어를 작은 각도로 변경한다면 , 많은 수의 겹치는 레이어로 구성된 큰 조각에서 XY 평면에서 평면 등방성을 얻을 수 있었습니다. 하지만 여전히 완전한 등방성에 도달하지는 못할 것입니다.

조각의 실제 부분을 얻고 각 방향에서 이론적인 속성을 예측할 수 있지만 실제로 FDM 프린터는 균질하고 재현 가능한 구조를 얻기에 충분히 정확하지 않습니다. , 이미지 5에서 볼 수 있습니다.

이미지 5:0.1, 0.2 및 0.3mm 레이어로 인쇄된 부품 섹션. 출처:S. Garzon-Hernandez et al. 재료 및 디자인 188 (2020) 108414

이 모든 점에서 FDM으로 인쇄된 부품의 기계적 거동을 예측하는 것은 매우 어렵습니다.

그러나 이 현상은 3D 프린팅에서 보편적이지 않습니다. 3D SLA 인쇄 및 3D SLS 인쇄와 같은 다른 기술은 등방성이 높은 부품을 생산합니다.

SLA 인쇄에서 조각은 수지를 한 층씩 광중합하여 형성됩니다. . 이는 조각이 완전히 조밀하여 겉보기 단면과 실제 단면이 동일함을 의미합니다. . 또한 분자 간의 응집력은 화학 결합에 의해 형성되며 조각 전체에 걸쳐 균일합니다.

이미지 6:다양한 각도에서 측정한 SLA 인쇄 조각의 영률. 출처:Formlabs

전통적으로 SLA 수지는 열악한 기계적 특성으로 인해 기술적 용도로 고려되지 않았음에도 불구하고 최근 몇 년 동안 가장 까다로운 요구 사항과 호환되는 기계적 및 열적 특성을 가진 수지 개발에 상당한 도약이 있었습니다. Form 3L과 함께 Formlabs의 엔지니어링 수지의 경우입니다. 최대 335x200x300mm의 부품을 생산할 수 있는 프린터는 높은 기계적 특성을 가진 등방성 부품이 필요한 많은 응용 분야에 완벽한 탠덤을 형성합니다.

이미지 7:Form 3L SLA 프린터. 출처:Formlabs

그러나 SLA용 기술 자료 개발의 비약적인 발전에도 불구하고 기술적 응용 분야에서 최상의 결과를 보장하는 기술은 3D SLS 프린팅입니다.

이 기술은 고분자 미립자의 층별 소결을 기반으로 합니다. . 그 결과 엔지니어링 응용 분야에 이상적인 특성을 가진 부품이 탄생했습니다. 높은 등방성, 높은 치수 정밀도를 가지며 지지대 없이 인쇄할 수 있습니다. 매우 복잡한 형상을 허용하고 이미 조립된 모바일 메커니즘도 인쇄할 수 있습니다.

SLS 인쇄로 생산된 부품은 다공성이지만 FDM으로 생산된 부품과 달리 다공성은 균일하며 인쇄 중 부품의 방향에 의존하지 않습니다 , 이미지 8에서 볼 수 있습니다.

이미지 8:SLS를 사용하여 인쇄된 조각의 내부 미세 구조

이는 실제 섹션과 겉보기 섹션이 동일하지 않지만 모든 방향에서 일정하게 유지되기 때문에 등방성이 높습니다.

이것이 바로 SLS에 의해 인쇄된 조각의 기계적 특성이 시작 재료의 기계적 특성과 다르지만 조각의 방향과 무관하게 일정하고 쉽게 결정될 수 있는 이유입니다. , 엔지니어링 계산을 단순화하고 낮은 오차 범위로 이 기술을 사용하여 제조된 구성 요소의 저항 및 유효 수명을 결정할 수 있습니다.

또한 SLS 프린팅은 산업 부문에서 널리 사용되는 기술 폴리머를 사용할 수 있도록 합니다. , 나일론 11 , 나일론 12 또는 TPE와 같은 열가소성 엘라스토머 및 TPU .

매우 높은 품질의 부품을 생산할 수 있는 가격 대비 뛰어난 가치를 지닌 프린터인 Lisa Pro와 같은 3D 프린터의 경우입니다. 질소 분위기에서 인쇄할 수 있는 능력 덕분에 폴리아미드 11과 같은 재료에 사용됩니다.

동영상 1:Lisa Pro 동영상. 출처:소결

특정 기계적 요구 사항을 충족해야 하는 부품을 3D 프린팅으로 생산할 때는 시작 재료의 특성뿐만 아니라 제조 기술도 고려해야 합니다. FDM 기술이지만 기술 자료를 선택할 때 아마도가장 다재다능 , 인쇄된 부품의 등방성이 매우 낮다는 사실은 많은 경우 극복하기 어려운 큰 문제가 될 수 있습니다. 부품 방향 인쇄 중 채우기 패턴 선택, 부품이 작동하는 위치와 조건에 대한 충분한 이해 3D FDM 프린팅을 사용하여 기술 부품을 생산하는 데 중요한 요소입니다. 이는 이 기술을 사용하는 부품의 설계 및 생산이 아마도 가장 복잡하면서도 상당한 한계가 있음을 의미합니다.

SLA 및 SLS 인쇄로 이러한 제한 사항이 대부분 사라집니다 . 조밀하거나 균일한 다공성 부품을 얻을 수 있는 가능성 , 높은 등방성 우수한 기계적 특성을 가진 기술 자료의 가용성 , 3D FDM 인쇄가 적합하지 않은 응용 분야에 유망한 대안이 되도록 합니다.

또한 사전 조립된 지지대 및 모바일 메커니즘 없이 부품을 인쇄할 수 있는 가능성 , 부품 후처리를 줄이고 단순화하여 SLS 인쇄를 이상적인 기술로 만듭니다.