3D 프린팅에서 등방성이 중요한 이유: 일관성과 성능 향상

소재의 등방성은 측정 방향에 관계없이 물성이 균일한 특성을 정의합니다.

일반적으로 대부분의 열가소성 수지는 등방성 소재로 간주됩니다. 폴리머 사슬 간의 결합력이 모든 방향에서 균일하기 때문에 기계적 특성도 균일합니다.

소재가 등방성이라 해도 그 소재로 만든 모든 부품이 이 특성을 유지하는 것은 아닙니다. 성형 또는 제조 공정으로 인해 원료가 등방성을 가져도 부품이 이방성 또는 직교이방성이 될 수 있습니다.

예를 들어 섬유 강화 열가소성 수지 부품. 플라스틱 매트릭스 내에서 섬유가 무작위로 균일하게 분포해 소재의 등방성을 유지합니다. 하지만 이 소재로 기계적 인장 공정을 거쳐 부품을 만들면 섬유가 매트릭스 내에서 선호 방향으로 재배열되어 소재가 이방성이 될 수 있습니다. 때로는 열가소성 수지 사출 공정이나 수지 경화 과정에서 내부 응력이 발생해 소재의 등방성 정도를 낮출 수 있습니다.

때로는 이 이방성이 엔지니어링적 결정일 수 있습니다. 부품이 받을 하중을 고려해 성능을 개선하거나 중량/강도 비율을 최적화하려는 의도입니다. 예를 들어 섬유 강화 복합재에서 특정 방향의 물성을 향상시키기 위해 배향된 섬유 메쉬를 사용하는 경우가 그렇습니다.

이미지 1: 등방성 및 이방성 소재. 출처: Instron.

하지만 이 이방성이 성형 또는 제조 공정의 의도치 않은 결과라면 어떻게 될까요? 이 경우 부품에 작용할 하중이 균일하지 않고, 제조 후 부품의 등방성이 어떻게 변하는지 잘 알고 있다면, 성형 공정 중 부품의 방향을 조절해 선호 방향이 하중 방향과 일치하도록 할 수 있습니다. 이는 설계 및 제조 작업을 크게 복잡하게 만들지만, 극복 가능한 장애물입니다.

그러나 부품에 작용할 하중 방향을 사전에 알 수 없다면, 모든 방향에서 물성이 균일하지 않다는 것이 큰 문제가 될 수 있습니다. 첫째, 모든 방향의 물성을 시험해 부품의 저항력 등 최저값을 기준으로 삼아야 합니다. 둘째, 부품이 언제 파손될지 예측하기가 훨씬 더 어렵습니다. 하중이 가장 유리한 방향으로 작용할 때 수명이 가장 불리한 방향일 때보다 훨씬 길 수 있기 때문입니다.

이 때문에 기계적 또는 구조적 기능을 수행해야 하는 부품에서는 등방성 통제가 매우 중요합니다.

3D 프린팅에서의 등방성

등방성이 명확하게 영향을 받는 제조 방법 중 하나는 3D FDM 프린팅입니다. 이 제조 방법은 녹은 폴리머 필라멘트를 압출해 층층이 부품을 형성합니다.

바로 이 때문에 미세 구조 수준에서 FDM으로 출력된 부품은 미세 다공성 구조입니다. 이는 부품의 실제 단면이 거시적으로 측정되는 겉보기 단면에 비해 방향마다 달라짐을 의미합니다. 또 다른 요인은 층간 결합력이 항상 이상적이고 재현 가능한 방식으로 일어나지 않는다는 점입니다.

이미지 2: 3D FDM 출력의 미세 구조. 출처: Formlabs.

실제 단면과 겉보기 단면 사이의 이러한 불일치로 인해, 세 축 모두에서 부품을 시험할 때 겉보기 탄성률도 달라집니다.

예를 들어 1cm³ 큐브를 시험하면 세 축에서 탄성률이 다르게 나옵니다. E = (F⁄S) / (∆L⁄L) 공식에서 S를 부품 단면으로 볼 때, 세 축 모두 1cm²로 계산하지만 이미지 3에서 보듯 실제 단면은 축마다 다르기 때문입니다.

이미지 3: 100% 충전, 모든 층이 같은 방향인 출력 부품의 단면.

각 층의 출력 방향을 90°로 바꿔가며 출력하면(이미지 4), X축과 Y축에서 직교이방성 부품을 얻을 수 있습니다, 다만 Z축의 이방성은 남습니다.

이미지 4: 100% 충전, 각 층이 이전 층 대비 90° 회전된 출력 부품의 단면.

이론적으로 각 층을 작은 각도로 변화시키면, 많은 층으로 구성된 대형 부품에서 XY 평면에서 평면 등방성을 얻을 수 있을 것이지만, 여전히 완전한 등방성에는 도달하지 못합니다.

부품의 실제 단면을 구해 이론적 물성을 예측하려 할 수 있지만, 실제로는 FDM 프린터가 균일하고 재현 가능한 구조를 얻기에 충분히 정밀하지 않습니다, 이미지 5에서 확인할 수 있습니다.

이미지 5: 0.1, 0.2, 0.3mm 층 두께로 출력된 부품 단면. 출처: S. Garzon-Hernandez et al. Materials and Design 188 (2020) 108414

이 모든 이유로 FDM으로 출력된 부품의 기계적 거동을 예측하기가 매우 어렵습니다.

그러나 이 현상이 3D 프린팅 전반에 해당하는 것은 아닙니다. 3D SLA 프린팅과 3D SLS 프린팅은 높은 등방성을 가진 부품을 생산합니다.

SLA 프린팅에서는 부품이 수지를 층층이 광경화시켜 형성됩니다. 이는 부품이 완전히 조밀하다는 뜻이며, 따라서 겉보기 단면과 실제 단면이 일치합니다. 또한 분자 간 결합력이 화학적 결합으로 부품 전체에서 균일하게 형성됩니다.

이미지 6: 다양한 각도에서 측정한 SLA 출력 부품의 영률. 출처: Formlabs

전통적으로 SLA 레진은 열악한 기계적 특성 때문에 기술적 용도로 고려되지 않았지만, 최근 몇 년간 가장 까다로운 요구 사항과 호환되는 기계적, 열적 특성을 가진 레진 개발에 큰 진전이 있었습니다. Formlabs의 엔지니어링 레진과 최대 335x200x300mm 크기의 부품을 생산할 수 있는 Form 3L 프린터가 결합되어, 높은 기계적 특성을 가진 등방성 부품이 필요한 많은 응용 분야에 완벽한 조합을 이룹니다.

이미지 7: Form 3L SLA 프린터. 출처: Formlabs

하지만 SLA용 기술 소재의 발전에도 불구하고, 기술적 응용 분야에서 최상의 결과를 보장하는 기술은 3D SLS 프린팅입니다.

이 기술은 폴리머 미립자를 층층이 소결하는 원리입니다. 그 결과 엔지니어링 응용 분야에 이상적인 특성을 가진 부품이 나옵니다: 높은 등방성, 높은 치수 정밀도, 서포트 없이 출력 가능하여 매우 복잡한 형상과 이미 조립된 이동 메커니즘까지 직접 출력할 수 있습니다.

SLS로 제작된 부품은 다공성이지만, FDM으로 제작된 것과 달리 그 다공성이 균일하며 출력 시 부품 방향에 의존하지 않습니다, 이미지 8에서 확인할 수 있습니다.

이미지 8: SLS로 출력된 부품의 내부 미세 구조.

이로 인해 실제 단면과 겉보기 단면은 다르지만, 모든 방향에서 일정하게 유지되므로 높은 등방성을 가집니다.

이 때문에 SLS로 출력된 부품의 기계적 특성은 원료와 다르지만, 방향에 관계없이 일정하며 쉽게 결정할 수 있습니다. 이는 엔지니어링 계산을 단순화하고 이 기술로 제조된 부품의 강도와 수명을 낮은 오차 범위로 예측할 수 있게 합니다.

또한 SLS 프린팅은 산업계에서 널리 쓰이는 기술 폴리머 사용을 가능하게 합니다. 예를 들어 나일론 11, 나일론 12, 열가소성 엘라스토머인 TPE와 TPU 등입니다.

이는 Lisa Pro 같은 3D 프린터의 경우로, 가격 대비 성능이 뛰어나며 질소 분위기에서 프린팅 가능한 덕분에 폴리아마이드 11 등 소재로 매우 높은 품질의 부품을 생산할 수 있습니다.

영상 1: Lisa Pro 영상. 출처: Sinterit

특정 기계적 요건을 충족하는 부품을 3D 프린팅으로 생산할 때는 원료의 물성뿐만 아니라 제조 기술도 고려해야 합니다. FDM 기술은 아마도 기술 소재 선택의 폭이 가장 넓지만, 출력 부품의 등방성이 매우 낮아 많은 경우 극복하기 어려운 큰 문제가 될 수 있습니다. 이 기술로 기술 부품을 제작할 때는 출력 시 부품 방향, 충전 패턴 선택, 부품이 어디서 어떤 조건으로 작동할지에 대한 충분한 이해가 핵심 요소입니다. 즉, 이 기술로 부품을 설계하고 생산하는 것은 아마도 가장 복잡하면서도 상당한 제약을 가집니다.

이런 제약 다수는 SLA와 SLS 프린팅으로 사라집니다. 조밀하거나 균일한 다공성을 가진 부품, 높은 등방성, 우수한 기계적 특성을 가진 기술 소재의 가용성은 FDM 3D 프린팅이 적합하지 않은 응용 분야에서 유망한 대안이 됩니다.

게다가 사전 조립된 서포트나 이동 메커니즘 없이 부품을 출력할 수 있다는 점은 SLS 프린팅을 부품 후가공을 줄이고 단순화하는 이상적인 기술로 만듭니다.