3D 프린팅의 재료 압출:정의, 역사, 응용 및 작업 흐름

3D 프린팅의 맥락에서 압출은 반액화된 슬러리 또는 페이스트를 오리피스나 다이를 통해 압착하여 재료의 원통형(또는 기타) 모양의 라인을 만드는 프로세스입니다. 그런 다음 경화되거나 경화되어 압출된 재료의 새로운 층이 위에 놓일 수 있습니다. FDM(융합 증착 모델링)과 FFF(융합 필라멘트 제조) 모두 이 기술을 사용하여 인쇄합니다. 

S. Scott Crump의 첫 번째 FDM 프로세스 버전에서는 글루건을 사용했지만 기술은 훨씬 더 정확하고 유연해졌습니다. 재료 압출에는 폴리머 필라멘트, 폴리머 펠릿, 왁스 필라멘트 및 펠릿, 세라믹 슬러리, 폴리머 결합 금속 분말 필라멘트 등 다양한 재료를 사용할 수 있습니다.

이 기사에서는 3D 프린팅과 관련된 재료 압출의 프로세스, 역사 및 적용을 정의하고 논의할 것입니다.

3D 프린팅의 재료 압출이란 무엇입니까?

3D 프린팅 영역에서 압출 공정은 접착 준비가 완료된 재료를 가열된 노즐을 통해 밀어내어 연속적인 층으로 증착하는 것을 의미합니다. 각 레이어는 사실상 3D 객체의 2D "슬라이스"입니다. 대부분의 프린터는 재료를 인쇄 가능하게 만들기 위해 폴리머나 왁스를 젤 같은 상태로 가열합니다. 이러한 물질은 겔화 상태(즉, 점도 조절제) 또는 고체 상태에서 원하는 특성을 제공하는 첨가제로 변형될 수 있습니다.  

자세한 내용은 3D 프린터에 대해 알아야 할 사항에 대한 가이드를 참조하세요.

재료 압출에는 어떤 재료가 사용됩니까?

재료 압출기는 다음을 인쇄하도록 설계될 수 있습니다:

1. PLA, ABS, ASL, 나일론과 같은 폴리머는 일반적이며 다양한 첨가제를 사용합니다. 일부는 기술적으로 왁스이지만 폴리머와 거의 동일한 기능을 합니다.
2. 도자기는 일반적으로 예술적인 도자기를 만들기 위해 3D 프린팅됩니다. 이 목적을 위한 노즐은 플라스틱 압출기 크기의 10~50배입니다.
3. 콘크리트 및 다양한 건축자재가 최근 3D 프린팅 옵션으로 주목을 받고 있습니다. 아이디어는 건물 전체를 인쇄하는 것이며 프로세스는 기본적으로 규모 면에서 FDM과 다릅니다.

재료 압출은 어디에 사용되나요?

재료 압출은 주로 FDM 프로토타이핑에 사용됩니다. 이 적층 제조 방법은 가장 저렴하고 접근하기 쉬운 옵션이기 때문에 이러한 목적으로 다른 방법보다 더 널리 사용됩니다. FDM 프로토타입은 마케팅, 제품 개발 등 다양한 산업에서 사용됩니다. 부품은 신속하게 생산되며 일반적으로 개발자가 기능을 테스트할 수 있을 만큼 충분히 기능적입니다(1~2mm보다 작지 않은 한). 하지만 프로토타입은 고성능 제품은 아닙니다.

최초의 재료 압출 기술은 언제 등장했나요?

재료 압출 기술은 공상과학 작가 머레이 렌스터(Murray Leinster)가 1945년 단편 소설 'Things Pass By'에서 처음 예측했습니다. 그러나 실제 공정은 1980년대 후반에 실용적인 형태를 갖추었고 Stratasys에 의해 상용화되었습니다. 이것이 3D 프린팅 분야의 중추가 되었습니다.

재료 압출 등록 명칭은 무엇입니까?

Stratasys는 "융합 증착 모델링"(FDM)이라는 이름으로 재료 압출을 등록했습니다. 특허가 만료되었지만 여전히 이름에 대한 권리가 있지만 Stratasys는 이를 면밀히 조사하지 않는 것으로 보입니다. FDM이라는 이름이 더 널리 알려져 있음에도 불구하고 많은 다른 제조업체에서는 해당 공정을 "FFF(융합 필라멘트 제조)"라고 부릅니다. 

재료 압출 공정이란 무엇입니까?

3D 프린팅 영역의 재료 압출에는 온도 조절 노즐을 통해 폴리머 또는 왁스 공급원료를 강제로 통과시키는 작업이 포함됩니다. 이는 재료를 점성 유체 또는 유체에 가까운 상태로 부드럽게 만들어 빌드 테이블이나 기존 인쇄 모델 레이어에 적용할 수 있습니다. 각 레이어는 사실상 2차원이지만 결합되어 3D 구조를 만듭니다.

폴리머(또는 왁스)는 겔화 상태에 도달할 때까지 노즐에서 가열됩니다. 재료는 주변(차가운) 재료와 구부러지고 접착될 수 있을 만큼 충분히 녹아야 하지만 도포 지점에서 흘러나올 정도로 액체여서는 안 됩니다. 그러면 압출된 재료가 빠르게 냉각되고 굳어져 그 위에 다음 레이어를 적용할 수 있습니다.

재료 압출의 장점은 무엇입니까?

FDM/FFF 3D 프린팅에 적용되는 재료 압출은 다음과 같은 몇 가지 장점을 제공합니다.

1. 폴리머는 저온에서 인쇄할 수 있으므로 인쇄 장비가 간단하고 저렴합니다. 
2. 프로세스 유지 관리가 거의 필요하지 않습니다. 기계 설정이 최적화되면 프린터는 매우 오랫동안 감독 없이 실행될 수 있습니다.
3. 압출성형 재료는 3D 프린팅 분야에서 가장 저렴한 재료 중 하나입니다. 다양한 경쟁 공급업체로부터 제품을 구입할 수 있습니다.
4. 모델은 다양한 용도에 유용할 만큼 충분한 외관 및 기계적 표준을 달성할 수 있습니다.
5. FDM/FFF 프린터는 다른 3D 프린터보다 가격이 저렴하고 운영 비용도 낮습니다. 이를 통해 모든 3D 프린팅 시스템 중 가장 저렴한 가격을 얻을 수 있습니다.

재료 압출의 단점은 무엇입니까?

재료 압출의 단점은 다음과 같습니다.

1. 재료 압출을 사용하여 프린팅된 부품은 재료의 일반적인 강도의 20% 정도만 나타낼 수 있습니다. 모델은 본질적으로 약한 경향이 있습니다.
2. 화장적인 마무리는 종종 아쉬운 점이 많습니다. FDM은 X-Y 방향이나 Z축에서 고해상도로 인쇄할 수 없습니다. 더 비싼 장비가 더 저렴한 시스템보다 낫습니다. 그러나 이 프로세스는 미세한 디테일이 부족하고 정밀한 표면 마감이 필요하지 않은 상대적으로 거친 모델에 가장 적합합니다. 
3. 재료가 적용될 때 뜨거우므로 많은 모델은 내부 응력을 유지하여 식으면서 변형됩니다. 더 비싼 프린터에는 이러한 효과를 줄이는 데 도움이 될 수 있는 가열된 빌드 챔버가 있습니다.
4. 일부 재료에서는 층간 결합이 매우 열악합니다. 이로 인해 심각한 이방성 특성이 발생합니다. 일부 재료는 다른 재료보다 더 잘 접착되지만 특성에는 항상 상충 관계가 있습니다. 

재료 분사와 재료 압출의 차이점은 무엇입니까?

재료 분사와 재료 압출은 여러 면에서 다릅니다:

1. 프로세스: 압출은 부분적으로 녹은 재료를 선과 점으로 적용합니다. 직경 0.5mm에서 1mm 사이의 최소 포인트 해상도를 갖습니다(프린터와 특정 플라스틱 또는 왁스에 따라 다름). 재료 분사 공정은 종종 0.05mm보다 작은 도트 크기의 액체 수지를 적용하여 훨씬 더 정확합니다.
2. 레이어 구성: 압출 기반 시스템은 특정 순간에 단일 어플리케이터 노즐을 사용하여 모델을 제작하므로 제작 속도가 제한됩니다. 재료 분사 공정에서는 최대 100mm 너비의 잉크젯 프린트헤드를 사용하여 단일 테이블 패스에서 레이어의 넓은 줄무늬를 '그립니다'. 이러한 추가 너비로 인해 각 레이어의 구성이 상당히 빨라졌습니다.
3. Z 레이어 빌드: 압출 기반 시스템은 상대적으로 두꺼운 층을 구축할 수 있다는 장점이 있습니다. 0.1mm보다 얇은 경우는 거의 없으며 두께가 0.5mm에 달하는 경우도 있습니다. 재료 분사층 두께는 일반적으로 16μm ~ 50μm입니다. 즉, Z 높이를 높이려면 더 많은 레이어가 필요하므로 각 레이어가 빠르게 인쇄된다는 사실에도 불구하고 전반적으로 빌드 속도가 느려집니다.
4. 장비 비용: 압출 기반 FDM/FFF 기술은 간단하여 3D 프린터 중 가장 저렴한 기계입니다. 재료 분사는 섬세하고 복잡하므로 장비는 일반적으로 FDM/FFF보다 1~2배 더 비쌉니다.

요약

이 기사에서는 3D 프린팅 기술에 적용되는 재료 압출의 개념을 검토했습니다. 재료 압출에 대해 자세히 알아보고 해당 기술이 귀하의 응용 분야에 적합한지 확인하려면 Xometry 담당자에게 문의하세요.

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