수용성 서포트 필라멘트로 FFF 3D 프린팅 혁신: 종류별 선택 가이드

FFF 3D 프린팅의 다른 적층 제조 기술 대비 주요 제한 사항 중 하나는 각 층의 출력 영역이 이전 출력 층에 의해 지지되어야 한다는 점입니다. 이는 오버행이 45°를 초과하거나 10mm 이상의 브리지가 있는 모든 부품 부분에 서포트 구조가 필요함을 의미합니다.

싱글 익스트루더 FFF 3D 프린터에서는 서포트 구조 생성에 부품과 같은 출력 소재만 사용할 수 있습니다. 이 서포트는 출력 완료 후 기계적으로 제거해야 하며, 저밀도 구조로 만들거나 서포트와 부품 사이에 분리 층을 두는 등 제거를 용이하게 하는 다양한 전략이 사용됩니다. 이는 도구 없이 수동으로 서포트를 제거할 수 있게 하지만, 서포트와 접촉한 표면의 마감이 종종 불량합니다.

이미지 1: 3D 출력 부품의 서포트. 출처: 3DHubs

듀얼 익스트루더 FFF 3D 프린터에서는 옵션이 넓어집니다. 부품과 서포트에 같은 소재를 쓸 필요가 없기 때문입니다. 이는 부품 소재를 녹이지 않는 용매에 녹는 소재 사용의 문을 엽니다. 이를 통해 부품과 접촉하는 조밀한 서포트를 사용해 접촉면의 훌륭한 마감을 보장할 수 있습니다.

이미지 2: Raise3D Pro2 듀얼 익스트루더. 출처: Raise3D

다양한 수용성 서포트 필라멘트가 있지만, 모두 같지 않고 호환성도 다릅니다. 수용성 서포트 소재를 선택할 때 출력 소재와의 호환성을 보장하기 위해 여러 특성을 고려해야 합니다. 이 특성들은:

• 부품에 사용된 소재의 특성을 손상시키거나 저하시키지 않는 용매에 녹아야 합니다.

• 부품 필라멘트와 열적으로 호환되어야 합니다. 즉, 비슷한 출력 및 베드 온도, 비슷한 연화 온도를 가져야 합니다.
• 부품에 사용된 소재와 좋은 접착력을 가져야 합니다.
• 쉽게 출력 가능하고 층간 접착력이 좋아야 합니다.

현재 수용성 서포트 소재는 크게 세 가지 유형이 있습니다:

• 유기 용매 용해성 필라멘트
• 활성제 사용 수용성 필라멘트
• 수용성 필라멘트

유기 용매 용해성 필라멘트

부품 소재와 비슷한 물리화학적 특성을 가지지만, 이를 보완하는 소재를 녹이지 않는 용매에 녹는 소재입니다.

현재 이 유형 필라멘트 옵션은 많지 않습니다. 주로 두 가지 문제 때문입니다. 한편으로는 서로 호환되게 만드는 유사한 물리화학적 특성을 가진 소재들이 일반적으로 대부분의 용매에 대해 비슷한 거동을 보여 적합한 용매를 찾기 어렵습니다. 다른 한편, 많은 유기 용매가 고독성이거나 대부분의 사용자가 접근하기 어렵고 전문 폐기물 처리가 필요합니다.

이미지 3: D-Limonene. 출처: Filament2print

이 유형에서 가장 흔히 사용되는 필라멘트는 HIPS입니다. 그 특성이 대부분의 ABS 및 ASA 기반 소재와 호환되게 만듭니다. 비슷한 열적 특성 외에도 ABS 및 ASA에 좋은 접착력을 가집니다. 현재 가장 널리 사용되는 서포트 소재 중 하나로, ABS와의 호환성뿐만 아니라 저렴한 비용과 접근성 좋고 저독성 유기 용매인 D-Limonene에 녹는다는 점 때문입니다.

활성제 사용 수용성 필라멘트

이들은 ATP 기반 폴리머(아크릴레이트 터폴리머)입니다. 이 소재들은 알칼리성 용액에서 녹는 특성이 있습니다. ABS 및 ASA 기반 소재와 훌륭한 호환성을 가지며, 폴리카보네이트와도 사용 가능합니다(호환성은 다소 낮음).

이들은 물에 직접 녹지 않으며 물이 알칼리성 pH를 가져야 하므로, 3DWash 같은 완충 활성제 사용이 필요합니다.

이미지 4: 3DWash. 출처: Traxer

이들은 HIPS의 완벽한 대안입니다. 유기 용매가 필요 없을 뿐만 아니라, 서포트 소재로 특별히 개발되고 첨가된 필라멘트라 일반적으로 더 빠르게 녹고 부품에 잔류물을 덜 남깁니다.

영상 1: PolyDissolve S2 프레젠테이션. 출처: Polymaker

대표적인 필라멘트로 PolyDissolve S2와 Z-SUPPORT ATP가 있습니다.

수용성 필라멘트

제조사들의 주요 목표 중 하나는 물에 직접 녹는 서포트 필라멘트를 얻는 것입니다. 유기 용매나 알칼리성 용액이 필요 없어 대부분의 사용자에게 가장 안전하고 접근하기 쉬운 대안이기 때문입니다.

이 때문에 이 카테고리가 가장 다양한 소재를 가지며, 다양한 필라멘트와 호환되는 옵션이 있습니다.

수용성 필라멘트 내에서도 두 가지 유형을 구분할 수 있습니다:

저온 소재와 호환되는 수용성 필라멘트: 이들은 PVA(폴리비닐알코올) 또는 BVOH(부텐디올 비닐알코올) 기반 필라멘트입니다. 두 소재 모두 PLA와 훌륭한 호환성을 가지며 PA와도 사용 가능합니다(호환성은 덜 좋음). BVOH는 PVA의 진화로 볼 수 있으며, PVA보다 장점이 있습니다: PETG나 일부 유연 필라멘트와 더 좋은 호환성, 찬물에서 더 높은 용해 속도. 일부 PVA 필라멘트는 LAY-PVA 또는 PVA Raise이며, Mowiflex나 Z-SUPPORT Premium은 BVOH 기반입니다.

영상 2: PVA와 BVOH 비교. 출처: BCN3D

고온 소재와 호환되는 수용성 필라멘트: 현재 사용 가능한 가장 진보된 서포트 필라멘트입니다. 이들은 수용성 폴리머(이전 유형과 유사)와 일반적으로 트레할로스인 당, 물에 빠르게 녹고 높은 열안정성을 가진 다당류의 혼합물로 구성됩니다. 폴리머와 당의 비율, 각 제조사별 특정 첨가제 사용으로 ABS부터 PEEK나 ULTEM까지 넓은 온도 범위의 소재와 호환되는 다양한 제형의 수용성 소재를 얻을 수 있습니다.

이미지 5: Aquatek X1 서포트로 만든 PA-CF 부품. 출처: 3DXTech

Aquasys 120이나 Aquatek X1 같은 필라멘트는 PLA뿐만 아니라 ABS, ASA, PA, PETG, 일부 유연 필라멘트와도 호환됩니다. Aquasys 120은 PC나 PP와도 사용 가능합니다. 또한 두 소재 모두 챔버 온도 120°C까지 견뎌 산업용 프린터에도 적합합니다.

한 단계 위는 Aquasys 180으로, 아마도 오늘날 가장 진보되고 가장 호환성이 좋은 서포트 소재입니다. Aquasys 120과 같은 소재들과 호환될 뿐만 아니라, PEKK, PEEK, ULTEM, PPSU와도 사용 가능합니다. 챔버 온도 180°C까지 견딜 수 있기 때문입니다.

이미지 6: Aquasys 180으로 제작된 서포트가 있는 부품. 출처: Infinite Material Solutions

하지만 이 유형 필라멘트의 주요 장점(높은 물 용해성)은 주요 단점이기도 합니다. 환경 습도에 매우 민감하기 때문입니다. 이로 인해 보관 중과 사용 중 모두 특수 용기에 보관해야 합니다. 게다가 이 필라멘트들은 습기를 흡수하면 접착력이 나빠지고 막힘 위험이 증가합니다.

가장 적합한 수용성 필라멘트 선택 방법

가장 적합한 수용성 필라멘트를 선택하려면 보완할 소재를 분석해야 합니다.

• ABS/ASA: 일반적으로 유기 용매 취급과 직접 폐기할 수 없는 폐기물 발생으로 HIPS 사용을 피하는 것이 좋습니다. 이 경우 활성제 사용 수용성 ATP 필라멘트가 가장 추천됩니다. 이 소재들과 훌륭한 호환성을 가지며 습도 민감도가 낮아 보관과 사용이 쉽고, 출력 실패 위험을 최소화합니다.

• PLA: PLA와 가장 호환성이 좋은 소재는 PVA와 BVOH 기반입니다. 이 중 BVOH 기반 소재가 습도 민감도가 낮지만, 일반적으로 PVA 기반 소재가 약간 더 저렴합니다.

• PETG/PA: PETG와 PA에 PVA와 BVOH를 서포트 소재로 사용할 수 있지만, 호환성이 특별히 좋지는 않습니다. 이 경우 Aquasys 120 같은 고온 호환 수용성 필라멘트가 최선입니다.

• 유연 소재: 서포트와 유연 소재 간 호환성은 결코 특별히 좋지 않았습니다. 일부 유연 필라멘트에 BVOH나 Aquasys 120을 사용할 수 있지만, 각 유연 필라멘트로 호환성을 테스트해봐야 합니다.

• PEEK/PEKK/PEI/PPSU: 이 경우 Aquasys 180을 사용하는 것이 최선입니다. 이 유형 소재와 최고의 호환성을 보장하고 고온에서 최고의 열안정성을 가지기 때문입니다.

• 평소 다양한 소재에 수용성 서포트를 사용한다면, 각 소재별로 다른 것을 두기보다 Aquasys 120이나 Aquatek X1처럼 모든 소재와 호환되는 단일 소재를 사용하는 것이 이상적입니다.

수용성 필라멘트는 종종 단일 그룹으로 언급되지만, 실제로는 각자 매우 구체적인 특성을 가진 다른 소재들로 구성됩니다. 오늘날 PLA부터 PEEK까지 시중의 거의 모든 소재와 호환되는 고품질 수용성 필라멘트를 찾을 수 있습니다.