3D 프린팅의 재료 압출: 정의, 역사, 적용 분야, 워크플로

3D 프린팅 맥락에서 압출은 반액체 슬러리나 페이스트를 오리피스나 다이를 통해 짜내어 원통형(또는 다른) 모양의 재료 선을 만드는 공정입니다. 이는 경화되거나 굳어져 새로운 압출 재료 층이 위에 놓일 수 있게 합니다. 용융 적층 모델링(FDM)과 용융 필라멘트 제조(FFF) 모두 이 기술을 사용해 출력합니다.

S. 스콧 크럼프(S. Scott Crump)의 초기 FDM 공정은 글루건을 사용했지만, 기술은 훨씬 더 정밀하고 유연하게 개선되었습니다. 재료 압출은 폴리머 필라멘트, 폴리머 펠릿, 왁스 필라멘트와 펠릿, 세라믹 슬러리, 폴리머 결합 금속 분말 필라멘트 등 다양한 소재를 사용할 수 있습니다.

본 문서는 3D 프린팅과 관련하여 재료 압출의 공정, 역사, 적용 분야를 정의하고 논의합니다.

3D 프린팅에서 재료 압출이란?

3D 프린팅 영역에서 압출 공정이란 결합 준비된 재료를 가열된 노즐을 통해 밀어내어 연속적인 층으로 증착하는 것을 의미합니다. 각 층은 효과적으로 3D 물체의 2D '슬라이스'입니다. 대부분의 프린터는 폴리머나 왁스를 겔 같은 상태로 가열하여 출력 가능하게 만듭니다. 이 소재들은 겔 상태에서(점도 제어제 등) 또는 고체 상태에서 바람직한 특성을 주는 첨가제로 수정될 수 있습니다.

자세한 내용은 3D 프린터에 대해 알아야 할 것들 가이드를 참조하세요.

재료 압출에 사용되는 소재는?

재료 압출 기계는 다음을 출력하도록 설계될 수 있습니다:

1. PLA, ABS, ASL, 나일론 같은 폴리머가 흔하며 다양한 첨가제를 받습니다. 일부는 기술적으로 왁스지만 폴리머와 매우 유사하게 작동합니다.
2. 세라믹은 (일반적으로 예술적) 도자기를 형성하기 위해 3D 프린팅됩니다. 이 목적의 노즐은 플라스틱 압출기의 10~50배 크기입니다.
3. 콘크리트와 다양한 건축 자재가 최근 3D 프린팅 옵션으로 주목받고 있습니다. 아이디어는 건물 전체를 출력하는 것이며, 공정은 주로 규모 면에서 FDM과 다릅니다.

재료 압출은 어디에 사용되는가?

재료 압출은 주로 FDM 시제품 제작에 사용됩니다. 이 적층 제조 방식은 가장 저렴하고 접근하기 쉬운 옵션이기 때문에 다른 방식보다 이 목적에 더 인기가 있습니다. FDM 시제품은 마케팅과 제품 개발을 포함한 다양한 산업에서 사용됩니다. 부품이 빠르게 생산되며 보통 개발자가 기능 테스트하기에 충분히 기능적입니다(1~2mm보다 작지 않은 한). 시제품은 고성능 부품은 아닙니다.

최초의 재료 압출 기술은 언제 등장했나?

재료 압출 기술은 SF 작가 머레이 레인스터(Murray Leinster)가 1945년 단편 소설 'Things Pass By'에서 처음 예측했습니다. 그러나 실제 공정은 1980년대 후반에 실용적인 형태를 갖추었고 스트라타시스(Stratasys)에 의해 상용화되었습니다. 이는 3D 프린팅 부문의 근간이 되었습니다.

재료 압출의 등록 명칭은?

스트라타시스는 재료 압출을 '융합 증착 모델링(Fused Deposition Modeling)', 즉 FDM이라는 이름으로 등록했습니다. 특허는 만료되었지만 여전히 이름에 대한 권리를 가지고 있으며, 스트라타시스는 이를 엄격하게 단속하지 않는 것으로 보입니다. 많은 다른 제조사들은 자사 공정을 '용융 필라멘트 제조(Fused Filament Fabrication, FFF)'라고 부르지만, FDM 명칭이 더 널리 이해됩니다.

재료 압출 공정이란?

3D 프린팅 영역에서 재료 압출은 폴리머나 왁스 원료를 온도 제어 노즐을 통해 강제로 밀어내는 것을 포함합니다. 이는 소재를 점성 유체 또는 준유체 상태로 부드럽게 하여 빌드 테이블이나 기존 출력 모델 층에 적용할 수 있게 합니다. 각 층은 효과적으로 2차원이지만, 이들이 결합하여 3D 구조를 만듭니다.

폴리머(또는 왁스)는 노즐에서 겔 상태에 도달할 때까지 가열됩니다. 소재는 주변(더 차가운) 소재와 구부러지고 결합할 만큼 충분히 녹아야 하지만, 적용 지점에서 흘러내리지 않을 정도로 너무 액체여서는 안 됩니다. 압출된 소재는 다음 층이 위에 적용될 수 있도록 빠르게 식고 굳습니다.

재료 압출의 장점은?

재료 압출은 FDM/FFF 3D 프린팅에 적용될 때 여러 장점을 제공합니다:

1. 폴리머를 저온에서 출력할 수 있어 출력 장비가 단순하고 저렴합니다.
2. 매우 적은 공정 유지보수가 필요합니다. 기계 설정이 최적화되면 프린터를 매우 긴 기간 동안 무인 상태로 실행할 수 있습니다.
3. 압출 가능 소재는 3D 프린팅 부문에서 가장 저렴한 편에 속합니다. 다양한 경쟁 공급업체에서 구할 수 있습니다.
4. 모델은 다양한 애플리케이션에서 유용할 만큼 충분한 외관 및 기계적 기준을 달성할 수 있습니다.
5. FDM/FFF 프린터는 다른 3D 프린터보다 저렴하고 간접비가 적게 듭니다. 이는 모든 3D 프린팅 시스템 중 가장 낮은 가격표를 제공합니다.

재료 압출의 단점은?

재료 압출의 단점은 다음과 같습니다:

1. 재료 압출로 출력된 부품은 소재 전형적 강도의 20%만 나타낼 수 있습니다. 모델은 본질적으로 약한 경향이 있습니다.
2. 외관 마감이 종종 아쉬움을 남깁니다. FDM은 X-Y 방향이나 Z축 모두에서 고해상도 출력이 불가능합니다. 더 비싼 장비가 저가 시스템보다 낫습니다. 그러나 이 공정은 정교한 디테일이 없고 정밀한 표면 마감이 필요하지 않은 비교적 거친 모델에 가장 적합합니다.
3. 소재가 적용될 때 뜨겁기 때문에 많은 모델이 식으면서 왜곡시키는 내부 응력을 유지합니다. 더 비싼 프린터는 가열 빌드 챔버를 가지고 있어 이 효과를 줄이는 데 도움이 됩니다.
4. 층간 결합이 일부 소재에서 꽤 약합니다. 이는 심각한 이방성 물성을 초래합니다. 일부 소재가 다른 소재보다 더 잘 결합하지만, 항상 물성의 트레이드오프가 있습니다.

재료 분사와 재료 압출의 차이는?

재료 분사와 재료 압출은 여러 면에서 다릅니다:

1. 공정: 압출은 부분적으로 녹은 소재를 선과 점으로 적용합니다. 최소 포인트 해상도는 프린터와 특정 플라스틱 또는 왁스에 따라 0.5mm~1mm 직경입니다. 재료 분사 공정은 한 자릿수 더 정밀하며, 종종 0.05mm보다 작은 도트 크기로 액체 수지를 적용합니다.
2. 층 구성: 압출 기반 시스템은 (주어진 순간에) 단일 어플리케이터 노즐을 사용하여 모델을 빌드하여 빌드 속도를 제한합니다. 재료 분사 공정은 최대 100mm 폭의 잉크젯 프린트헤드를 사용하여 한 번의 테이블 패스로 층의 넓은 스트라이프를 '그립니다'. 이 추가 폭으로 각 층의 구성이 상당히 더 빠릅니다.
3. Z-층 빌드: 압출 기반 시스템은 상대적으로 두꺼운 층을 쌓는 이점이 있습니다. 이들은 0.1mm보다 얇은 경우가 드물고 종종 0.5mm까지 두꺼울 수 있습니다. 재료 분사 층 두께는 일반적으로 16µm~50µm입니다. 이는 Z 높이를 쌓기 위해 더 많은 층이 필요하므로, 각 층이 빠르게 출력됨에도 불구하고 전반적으로 빌드가 더 느립니다.
4. 장비 비용: 압출 기반 FDM/FFF 기술은 단순하여 기계를 모든 3D 프린터 중 가장 저렴한 축에 속하게 합니다. 재료 분사는 섬세하고 복잡하여 장비가 일반적으로 FDM/FFF보다 1~2자릿수 더 비쌉니다.

요약

본 문서는 3D 프린팅 기술에 적용되는 재료 압출 개념을 검토했습니다. 재료 압출에 대해 더 알아보고 귀사 애플리케이션에 적합한 기술인지 판단하려면 Xometry 담당자에게 문의하세요.

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