3D 프린팅 부품의 기계적 강도에 대한 FFF 프린팅 매개변수의 영향

본 연구는 FFF(Fused Filament Fabrication) 기술을 이용한 3D 프린팅 매개변수가 생산 부품의 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하는 것을 목표로 합니다. 분석에는 압출 온도, 인쇄 속도, 밀도, 충전 형상, 레이어 높이 및 벽 수와 같은 주요 매개변수의 변화가 있는 495개의 인쇄된 샘플을 검사하는 작업이 포함되었습니다.

이 기술에 일반적으로 사용되는 PLA, PETG 및 ABS 재료를 사용하는 BCN3D Epsilon W50 프린터가 사용되었습니다. 기계적 강도 평가는 다양한 변수를 고려하여 단축 인장 시험을 통해 수행되었습니다. 본 연구는 UNE-EN ISO 527-2 Type 1A 표준에 따라 플라스틱 성형 또는 압출 테스트 모델을 준수하여 총 495개의 시편을 테스트하여 수행되었습니다.

압출 온도, 밀도 및 벽 수가 증가하면 인쇄된 부품의 특성이 향상될 것으로 예상됩니다. 결과적으로 인쇄 속도가 빨라지고 레이어 높이가 낮아지면 잠재적으로 기계적 강도가 감소할 수 있지만 그 영향의 정확한 정도는 여전히 불확실합니다.

주요 가설

• 채우기 유형 :그리드 인필은 상호 연결된 그리드 구조로 인해 자이로이드 및 트라이앵글러 인필에 비해 우수한 강도를 제공할 것으로 가정됩니다.
• 채우기 밀도: 충전재 밀도가 높을수록 기계적 강도가 증가할 것으로 예상됩니다. 부품 내 재료가 많아지면 응력을 견딜 수 있는 능력이 향상되기 때문입니다.
• 레이어 높이: 층 높이가 낮을수록 층간 접착력이 약해 기계적 강도에 악영향을 미칠 것으로 추정된다.
• 인쇄 속도: 인쇄 속도가 높아지면 압출 불안정성과 레이어 간 접착력 저하로 인해 부품 품질이 저하되어 잠재적으로 기계적 강도가 약화될 것으로 예상됩니다.
• 인쇄 온도: 온도 범위가 높을수록 층간 결합이 향상되어 부품의 기계적 강도가 향상될 것으로 예상됩니다. 반대로, 온도가 낮으면 재료 손실과 함께 냉간 압출이 발생할 수 있습니다.
• 벽 수: 더 많은 수의 벽을 사용하면 인쇄된 부품의 기계적 강도를 크게 높이고 구조적 안정성을 높일 수 있습니다.

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결과

다음 섹션의 차트에는 다양한 결과와 결론이 표시됩니다. 자세한 분석 및 데이터는 백서를 참조하시기 바랍니다.

채우기 유형에 미치는 영향

얻은 데이터를 분석하고 재료에 따라 각 충전재 유형이 서로 다르게 영향을 미치는 것을 확인하면 패턴이 조각의 최종 특성에 중요하거나 관련된 영향을 미치지 않는다는 결론을 내릴 수 있습니다. 자이로이드 충전재를 사용한 ABS 및 PETG 테스트 표본 모두 가장 높은 하중을 생성하는 것은 사실이지만 PLA와의 차이와 가변성으로 인해 이러한 유형의 충전재가 기계적 특성 개선 측면에서 최고라고 주장할 수 없습니다. 따라서 그리드 인필, 이어서 트라이앵글, 마지막으로 자이로이드의 성능이 더 좋아질 것이라는 기대에서 시작된 이 테스트의 전제는 잘못된 것입니다.

채우기 밀도의 영향

얻은 결과를 분석하면 테스트 전에 설정한 전제가 정확했다는 결론을 내릴 수 있습니다. 즉, 밀도가 증가함에 따라 조각의 기계적 특성이 증가합니다. 이 진술은 PLA와 PETG에서 훨씬 더 명확하지만 ABS에서는 60% 충전재 시편과 80% 충전재 시편 사이의 인장 강도가 증가하지 않을 정도로 눈에 띄지 않습니다. 이는 각 재료가 형성하는 고분자 구조의 유형 때문일 수 있습니다. PLA 및 PETG는 결정 구조를 갖는 재료인 반면, 이 ABS 제제는 더 비정질 구조를 갖습니다. 또한 인쇄된 ABS 부품의 밀도를 60% 이상 높이는 것이 기계적 성능 향상을 보장하지 않는다는 결론을 내릴 수도 있습니다.

레이어 높이의 영향

예상한 대로 레이어 높이가 증가하면 인쇄된 조각의 성능이 향상됩니다. 앞서 말했듯 작품 전반에 걸쳐 '약점'이 적기 때문이다. 이러한 약점은 각 인쇄된 레이어의 접합부입니다. 레이어 간의 접착력은 소재 자체와 동일한 기계적 강도를 가질 수 없기 때문입니다.

인쇄 속도의 영향

데이터 분석 후, 우리는 인쇄 속도가 높을수록 재료 압출의 불안정성이 증가하여 인쇄된 조각의 불완전성이 증가하여 기계적 저항이 저하될 가능성이 높아지는 것과 마찬가지로 이 인쇄 속도에도 하한이 있다는 결론을 내렸습니다. 즉, 인쇄 속도가 낮을수록 기계적 저항이 높아진다는 것은 사실이 아닙니다. 각 재료에는 인쇄에 적합한 최적의 작동 온도 범위가 있습니다. 작업 온도가 이 범위보다 낮으면 재료가 차갑게 압출되고, 인쇄 온도가 이 범위를 초과하면 재료의 품질이 저하되어 고분자 구조가 결정화되고 잘못된 압출이 발생할 수 있습니다.

다음 결론을 더 잘 이해하려면 재료의 인쇄 온도(작업 온도)에 대한 간략한 설명이 필요합니다. 앞서 설명한 대로 인쇄 속도는 필라멘트가 열 블록을 통과하는 속도이기 때문에 필라멘트 압출에 영향을 미칩니다. 이는 열 블록의 온도(인쇄 온도)가 필라멘트로의 열 전달 부족을 보상해야 하기 때문에 재료의 녹는점 온도보다 높아야 함을 의미합니다. 즉, FFF에서 재료가 일반적으로 압출되는 인쇄 온도가 재료의 용융 온도보다 훨씬 높다는 결론을 내립니다. 따라서 인쇄 속도가 매우 느리면 압출 중에 재료가 저하되어 기계적 특성을 포함하여 재료 자체의 특성이 손실될 수 있습니다.

인쇄 온도 

얻은 데이터를 고려하고 인쇄 속도와 밀도 또는 층 높이와 같은 다양한 매개변수가 어떻게 영향을 미치는지 이전에 분석한 결과, 인쇄 온도가 기계적 특성을 향상시키는 데 크게 도움이 되지 않거나 오히려 제조의 최종 결과를 제어하기 위한 상수를 설정하기가 어렵다고 추론했습니다. 즉, 인쇄 속도와 마찬가지로 인쇄 온도도 각 재료에 서로 다른 정도로 영향을 미치며 항상 쉽게 예측할 수 있는 방식은 아닙니다.

PLA의 경우 예상대로 추세가 나타나는 것이 사실이지만 ABS와 PETG의 경우에는 그렇지 않습니다. 다양한 재료의 고분자 구조와 각 재료의 유리 전이 온도가 이러한 추세선을 정의할 가능성이 높습니다.

벽의 수

이 테스트에서는 테스트 2.2(채우기 밀도) 및 2.3(층 높이)에서와 마찬가지로 벽 수가 증가할 때마다 각 재료의 시편 인장 강도가 얼마나 명확하게 증가하는지 관찰할 수 있었습니다. PETG의 경우 각 증분에서 진화가 훨씬 더 명확해졌지만 이는 다른 테스트 각각과의 편차 때문일 수 있습니다. 벽의 수가 증가할 때마다 동일한 방식으로 인장 강도가 증가한다는 것은 타당하며 예상한 대로입니다. 즉, 벽이 증가할 때마다 최대 힘이 동일한 값을 일관되게 증가시킵니다. 이는 PETG 시편의 테스트에서 명확하게 관찰할 수 있는데, 시편에 벽을 추가할 때마다 최대 힘이 30%씩 증가합니다. 우리가 PETG를 예로 든 이유는 테스트의 편차를 확인한 결과 외부 에이전트의 영향을 가장 적게 받은 것으로 추론했기 때문입니다.

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