FFF 프린팅 파라미터가 3D 프린팅 부품 기계적 강도에 미치는 영향

이 연구는 FFF(용융 필라멘트 적층) 기술을 사용하여 3D 프린팅 파라미터, 특히 압출 온도, 프린트 속도, 밀도, 인필 기하학, 레이어 높이, 벽 수와 같은 주요 파라미터의 변형이 제작된 부품의 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하는 것을 목표로 합니다. 분석에는 495개의 프린팅 샘플이 포함되었습니다.

BCN3D Epsilon W50 프린터를 사용했으며, 이 기술에서 일반적으로 사용되는 소재인 PLA, PETG, ABS를 사용했습니다. 기계적 강도 평가는 다양한 파라미터를 고려하여 단축 인장 시험을 통해 수행되었습니다. 이 연구는 UNE-EN ISO 527-2 Type 1A 표준에 따라 총 495개의 시편을 테스트하여 수행되었으며, 플라스틱 성형 또는 압출 테스트 모델을 준수했습니다.

압출 온도, 밀도, 벽 수의 증가는 향상된 특성을 나타내는 프린팅 부품을 초래할 것으로 예상됩니다. 결과적으로 더 높은 프린트 속도와 감소된 레이어 높이는 기계적 강도의 잠재적 감소로 이어질 수 있지만, 그 정확한 영향 정도는 불확실합니다.

주요 가설

• 인필 유형: 그리드 인필이 상호 연결된 그리드 구조로 인해 자이로이드 및 삼각형 인필보다 우수한 강도를 제공할 것으로 가정.
• 인필 밀도: 더 높은 인필 밀도는 부품 내 더 많은 소재가 스트레스를 견디는 능력을 향상시키므로 기계적 강도 증가에 기여할 것으로 예상.
• 레이어 높이: 더 낮은 레이어 높이는 레이어 간 접착의 약점으로 인해 기계적 강도에 악영향을 미칠 것으로 추정.
• 프린트 속도: 높은 프린트 속도는 압출 불안정과 레이어 간 덜 효과적인 결합으로 인해 부품 품질 저하를 초래하여 잠재적으로 기계적 강도를 약화시킬 것으로 예측.
• 프린트 온도: 더 높은 온도 범위는 레이어 간 결합을 개선하여 부품의 기계적 강도를 향상시킬 것으로 기대. 반대로 낮은 온도는 소재 손실과 함께 콜드 압출을 초래할 수 있음.
• 벽 수: 더 많은 벽 수는 프린팅 부품의 기계적 강도를 크게 증가시켜 더 큰 구조적 안정성을 제공할 것으로 제안.

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결과

다음 섹션에서 차트는 다양한 결과와 결론을 표시합니다. 상세 분석과 데이터는 백서를 참조하세요.

인필 유형의 영향

얻은 데이터를 분석하고 소재에 따라 각 인필 유형이 다르게 영향을 미치는 것을 볼 때, 패턴이 조각의 최종 특성에 유의미하거나 관련 있는 영향을 미치지 않는다는 결론을 내릴 수 있습니다. ABS와 PETG 테스트 시편에서 자이로이드 인필이 가장 높은 하중을 내는 것은 사실이지만, PLA와 비교한 차이와 변동성으로 인해 이 인필 유형이 기계적 특성 향상에 최고라고 단정할 수 없습니다. 따라서 이 테스트의 출발점이 된 전제, 즉 그리드 인필이 가장 좋은 성능을 보이고 그 다음이 삼각형, 마지막으로 자이로이드 순일 것이라는 기대는 틀렸습니다.

인필 밀도의 영향

얻은 결과를 분석하면 테스트 전 수립된 전제가 옳았음을 결론지을 수 있습니다. 즉, 조각의 기계적 특성은 밀도 증가에 비례하여 증가합니다. 이 진술은 PLA와 PETG에서 훨씬 명확한 반면, ABS에서는 훨씬 덜 눈에 띄어 60% 인필 시편과 80% 인필 시편 사이에서 인장 강도 증가가 없는 지경입니다. 이는 각 소재가 형성하는 폴리머 구조 유형 때문일 수 있습니다. PLA와 PETG는 결정질 구조를 가진 소재인 반면, 이 ABS 제형은 더 비정질 구조를 가집니다. 또한 프린팅된 ABS 부품의 밀도를 60% 이상 증가시키는 것이 더 나은 기계적 성능을 보장하지 않는다는 결론도 내릴 수 있습니다.

레이어 높이의 영향

예상대로 레이어 높이 증가는 프린팅된 조각의 더 나은 성능을 제공합니다. 이는 앞서 언급한 것처럼 조각 전체에 '약점'이 적기 때문입니다. 이러한 약점은 각 프린팅 레이어의 접합부이며, 레이어 간 접착은 소재 자체와 동일한 기계적 강도를 결코 가질 수 없습니다.

프린팅 속도의 영향

데이터 분석 후, 더 높은 프린트 속도가 소재 압출의 불안정성을 증가시키고 따라서 프린팅된 조각의 결함 가능성을 증가시켜 더 나쁜 기계적 저항을 초래하는 것처럼, 이 프린팅 속도에도 하한이 있다는 결론을 내립니다. 즉, 더 낮은 프린트 속도가 더 높은 기계적 저항을 초래한다는 것은 사실이 아닙니다. 각 소재에는 프린팅을 위한 최적의 작동 온도 범위가 있습니다. 작동 온도가 이 범위 아래이면 소재가 차갑게 압출되고, 프린팅 온도가 이 범위 위이면 소재가 분해되어 폴리머 구조를 결정화시키고 잘못된 압출을 유발할 수 있습니다.

다음 결론을 더 잘 이해하기 위해 소재의 프린팅 온도(작동 온도)에 대한 간단한 설명이 필요합니다. 앞서 설명했듯이 프린팅 속도는 필라멘트가 히트 블록을 통과하는 속도이기 때문에 필라멘트 압출에 영향을 미칩니다. 이는 히트 블록의 온도(프린팅 온도)가 소재의 융점보다 높아야 함을 의미합니다. 열 전달 부족을 필라멘트에 보상해야 하기 때문입니다. 즉, FFF에서 소재가 일반적으로 압출되는 프린팅 온도는 소재의 융점보다 훨씬 높습니다. 따라서 프린팅 속도가 매우 낮으면 압출 중 소재가 분해되어 소재 자체의 기계적 특성을 포함한 특성을 잃을 수 있습니다.

프린팅 온도

얻은 데이터를 고려하고 앞서 프린팅 속도와 밀도나 레이어 높이 같은 다양한 파라미터가 어떻게 영향을 미치는지 분석한 후, 프린팅 온도가 기계적 특성 개선에 크게 도움이 되지 않거나 오히려 제조의 최종 결과를 제어하기 위한 상수를 설정하기 어렵다는 결론을 내립니다. 즉, 프린팅 속도와 마찬가지로 프린팅 온도는 각 소재에 서로 다른 정도로 영향을 미치며 항상 쉽게 예측 가능한 방식은 아닙니다.

PLA의 경우 예상대로 추세가 나타나지만, ABS와 PETG에서는 그렇지 않습니다. 각 소재의 폴리머 구조와 유리 전이 온도가 이 추세선을 정의할 가능성이 가장 높습니다.

벽 수

이 테스트에서 각 재료의 시편에서 벽 수의 각 증가가 인장 강도를 명확하게 증가시키는 것을 관찰할 수 있었습니다. 이는 테스트 2.2(인필 밀도)와 2.3(레이어 높이)와 마찬가지입니다. PETG의 경우 각 증가에서 변화가 훨씬 명확했는데, 이는 다른 테스트에서의 편차 때문일 수 있습니다. 각 벽 증가가 인장 강도를 동일한 방식으로 증가시킨다는 것은 타당하고 예상된 것입니다. 즉, 각 벽 증가는 최대 힘을 일관되게 같은 값으로 증가시킵니다. 이는 PETG 시편 테스트에서 명확하게 관찰할 수 있는데, 시편에 벽이 추가될 때마다 최대 힘이 30% 증가합니다. 테스트 편차를 본 후 외부 요인의 영향을 가장 적게 받은 것으로 판단되어 PETG를 예로 듭니다.

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