가장 강한 3D 프린터 필라멘트는? 내구성 & 성능 전문가 가이드

FDM/FFF(필라멘트 증착 모델링/용융 필라멘트 제조) 방식의 프린터는 필라멘트라고 불리는 플라스틱 원료 가닥을 사용하여 부품을 만듭니다. 플라스틱이 녹아 압출되어 3D 모델을 만듭니다. 강도와 내구성으로 알려진 여러 유형의 3D 프린터 필라멘트가 있습니다. 그러나 '가장 강한 것'의 정의는 출력된 부품의 특정 용도와 요구사항에 따라 달라집니다.

'강도'라는 말이 3D 프린터 필라멘트의 인장 거동에 적용될 때 두 가지 기본 해석이 있을 수 있습니다. 이는 완성된 부품의 최종 인장 하중에 따라 달라집니다.

한 경우, 부품이 필라멘트와 정렬되는 방향으로 하중을 받습니다. 이 경우 원료 필라멘트의 높은 인장 강도가 완성된 아이템에서도 좋은 인장 강도로 이어집니다.

다른 경우는 부품이 프린트 층에 수직으로 하중을 받을 때 발생합니다. 이 시점에서 '가장 강한 3D 필라멘트'는 인접한 결합된 필라멘트 사이의 접착 강도를 표현하는 것이지, 필라멘트 고유의 강도가 아닙니다. 이 후자의 상황은 '어떤 필라멘트가 가장 단단하게 결합하는가'를 보는 강도 이슈의 정의로 이어집니다.

이 두 필라멘트 특성(그리고 기타 특성)은 모두 고탄력, 굴곡 내성, 내마모성 모델을 만들고 싶다면 중요합니다. 최종 빌드에서 인장 강도, 굽힘 강도, 내마모 경도, 내충격 인성 등의 요구사항을 균형 있게 맞춰야 합니다. 각 필라멘트 유형은 모델에 서로 다른 이점을 줄 수 있지만, 모든 상황에 맞는 단일 필라멘트는 없습니다. 또한 프린터가 모든 가능한 빌드 소재를 수용하지 못할 수 있고, 일부 필라멘트는 다른 것보다 더 많은 설계 제약을 가집니다. 그리고 어떤 유형을 선택하든 최종 제품의 특성은 설계 품질과 제조 위한 설계(DFM) 원칙에 얼마나 신경을 썼는지에 크게 의존합니다.

본 문서는 균형 잡힌 물성을 가진 것으로 간주되는 여러 3D 프린트 필라멘트를 검토하고, 이들을 위해 설계할 때 염두에 두어야 할 개념들을 리뷰합니다.

3D 프린터 필라멘트 유형은?

FDM/FFF 필라멘트는 더 넓은 범위의 첨가제로 더 많은 소재로 나옵니다. 첨가제는 내마모성, 인장 강도, 굴곡 인성 같은 특정 특성을 강화합니다. 아래는 3D 프린팅 모델에서 최고 강도, 인성, 내구성을 제공한다고 널리 간주되는 필라멘트 기본 소재들입니다:

1. 폴리카보네이트

폴리카보네이트(PC) 필라멘트는 높은 강도, 인성, 내열성의 모델을 생산합니다. 필라멘트 축 방향으로 66MPa의 인장 강도를 가집니다. 장점: 고강도, 내온성, 광학적 투명성. 단점: 출력하기 까다롭고 수분 흡수 경향이 나쁨. PC 가격은 1.75mm 직경 기준 kg당 $70~200. 자세한 내용은 폴리카보네이트란? 가이드를 참조하세요.

2. 나일론

나일론 필라멘트로 제작된 모델은 강도와 내마모성으로 유명합니다. 소재는 등급에 따라 50~90MPa의 인장 강도를 가집니다. 나일론은 강하고 저렴한 소재입니다. 그러나 품질 좋은 모델을 출력하기 어려울 수 있고, 수분 함량이 너무 낮아지면 소재가 심각하게 약해집니다. 나일론은 1.75mm 직경 기준 kg당 $40~100에 구매 가능. 자세한 내용은 나일론 3D 프린팅 필라멘트 모든 것 가이드를 참조하세요.

3. TPU

열가소성 폴리우레탄(TPU)은 상당한 충격과 마모를 견딜 수 있는 높은 탄력성과 탄성 아이템을 만듭니다. 고유한 탄성 덕분에 여러 면에서 '강한' 소재입니다. TPU 인장 강도는 50MPa. 문제는 프린터 노즐을 쉽게 막히게 하고 느리게 출력해야 한다는 점. TPU는 1.75mm 직경 기준 kg당 $30~60. 자세한 내용은 열가소성 폴리우레탄, 엔지니어링(ETPU) 가이드를 참조하세요.

3D 프린터 필라멘트의 인장 강도란?

3D 프린트 필라멘트의 인장 강도는 필라멘트가 파단하거나 영구적(비탄성적, 비회복적)인 신장을 겪기 전에 견딜 수 있는 최대 인장 하중을 기술합니다. FDM/FFF 출력에 사용되는 열가소성 고분자 같은 열가소성 폴리머는 탄성 신장 하중 한계를 가집니다. 하중이 필라멘트의 탄성 한계 이하면, 하중이 제거되면 원래 치수로 돌아옵니다. 탄성 하중 응력이 초과되면 영구 변형이나 파단이 발생합니다.

3D 프린터 필라멘트의 충격 강도란?

3D 프린트 필라멘트의 충격 탄력성은 돌발적인 충격이나 쇼크 하중에 대한 필라멘트 반응의 척도입니다. 강한 소재는 충격 에너지를 흡수하고 파단 없이 변형해야 합니다. 이는 기계 부품, 장난감, 보호 장비 등에 사용되는 소재에 중요한 특성입니다.

3D 프린팅 아이템의 충격 탄력성이 독립형 필라멘트만으로 결정되지 않는다는 점을 유의해야 합니다. 빌드 방향(충격 상대적), '내부' 격자 충전 구조/밀도, 필라멘트 층 융합 같은 요인들도 성능에 영향을 미칩니다. 많은 경우 이러한 요인들이 원료 필라멘트의 충격 특성보다 종합적으로 더 중요할 수 있습니다.

3D 프린터 필라멘트에 사용되는 기타 강도 지표는?

프린터 필라멘트에는 설계 공정에서 중요할 수 있는 다른 강도 관련 특성들이 있습니다. 또한 고려해야 할 강도 유지 특성들도 있습니다. 이것들은 필라멘트 특성일 수 있지만, 필라멘트 유형을 사용하여 구축된 모델의 특성으로 보는 것이 더 유용합니다. 이러한 강도 지표는 아래에 나열되어 있습니다:

1. 굴곡 강도(Flexural Strength): 필라멘트나 모델이 굽힘 힘에 노출되었을 때 파단이나 영구 변형에 저항하는 능력 측정
2. 파단 시 신율(Elongation at Break): 필라멘트나 모델이 꾸준한 인장 하중 하에서 영구적(비탄성적) 변형을 겪으며 파단에 저항하는 능력 측정. 파단이 결국 발생하면 양쪽에서 플라스틱 변형이 측정됨
3. 전단 강도(Shear Strength): 소재나 모델이 전단 하중 하에서 파단이나 변형에 저항하는 능력 측정. 벌크 소재의 전단 강도는 출력 부품의 전단 강도와만 약간 관련됨. 전단 하중 상황은 종종 복잡하며 순수 전단을 나타내지 않음. 이로 인해 실제 테스트 결과가 기본 소재 특성보다 출력 방향, 부품 설계, 하중 시나리오에 훨씬 더 의존하게 됨
4. 압축 강도(Compressive Strength): 필라멘트나 모델이 압축하거나 으스러뜨리는 힘을 견디는 능력 측정. 이는 모델이 전체적으로 압축 하에서 휠 경향(굴곡 탄력성에 의존하는 상황)과 구별됨. 현실적으로 필라멘트의 압축 강도는 출력이 솔리드이고 단면 측면에서 극도로 단순하지 않는 한 3D 프린트와만 약간 관련됨
5. 내마모성(Abrasion Resistance): 필라멘트 모델 표면이 동일하거나 더 단단한 소재에 반복적으로 마모될 때 스팔링(spalling)이나 연마에 의한 파손에 저항하는 능력 측정
6. 내피로성(Fatigue Resistance): 물리적 한계에 접근하는 순환 하중에 대한 소재의 내성 정의. 변형률, 회복 시간, 총 사이클 수 등이 모두 소재에 부정적 영향을 줄 수 있음. 이는 빌드 방향과 기타 빌드 파라미터만큼 소재의 핵심 특성의 기능일 수 있음
7. 인열 강도(Tear Strength): 필라멘트와 모델이 찢어짐에 저항하는 능력 측정. 층 평면을 따라 찢어질 때는 출력 파라미터의 기능임. 필라멘트 축 방향으로 찢어질 때만 이 강도가 소재 고유 특성에 전적으로 기반함. 인열과 전단은 밀접하게 관련된 모드임
8. 내열성(Heat Resistance): 온도 상승 시 모델이 다른 특성을 유지하는 능력 정의. 폴리머가 높은 유리 전이 온도를 가지면 약해지기 전 더 높은 사용 온도를 견딤
9. 크립 저항(Creep Resistance): 지속적인 하중이 장기간 지속될 때 모델이 치수 안정성을 유지하는 능력 정의
10. 내화학성(Chemical Resistance): 용매, 산, 염기 같은 가혹한 화학물질이나 자외선 노출 같은 조건에 노출되었을 때 소재가 특성을 유지하는 능력 정의

위 파라미터 중 일부는 필라멘트 소재의 기본 특성과 밀접하게 정렬되는 반면, 다른 것들은 출력된 아이템의 설계와 구성에 극도로 의존합니다.

3D 프린터용 필라멘트란?

3D 프린터 필라멘트는 프린터 익스트루더를 통해 공급되어 출력 모델 제작을 위해 녹는 폴리머 원료입니다. 이 원료는 다양한 폴리머 중 하나일 수 있으며 소재 특성을 수정하는 다른 첨가제를 포함할 수 있습니다. 필라멘트 원료는 고정된 위치에서 익스트루더로 소재를 공급하는 설치 준비된 롤에 제공됩니다. 필라멘트는 기어나 핀치 휠의 피더 메커니즘에 의해 잡혀 릴에서 당겨져 필요할 때 익스트루더의 가열된 노즐을 통해 밀려납니다.

고성능 폴리머란?

고성능 폴리머는 여러 가능한 소재 특성으로 더 보편적인 소재와 구별됩니다. 고성능 소재는 보통 다음 특성 중 적어도 하나에서 우수합니다:

1. 인장 강도
2. 전단 강도
3. 굽힘 강도
4. 특성이 저하되기 전 온도 한계
5. 내화학성
6. 내마모성
7. 크립 저항
8. 탄성

복합 필라멘트란?

FDM/FFF용 복합 필라멘트는 기본 필라멘트 폴리머 내에 첨가제를 포함한 3D 프린팅 필라멘트입니다. 목재 섬유, 금속 분말, 탄소 또는 케블라(Kevlar®) 섬유, 기타 많은 소재가 기본 및 고성능 출력 폴리머의 특정 특성을 강화하는 데 사용됩니다. 복합재는 순수 폴리머보다 특성이나 기능성을 개선하기 위한 것입니다.

둥근 단면과 매끄러운 표면의 목재 섬유는 출력 부품의 강도, 강성, 밀도를 개선합니다. 케블라®, 탄소 섬유, 그래핀 적재 필라멘트는 우수한 강도, 인성, 강성을 가지는 경향이 있습니다. 충분한 비율로 그래핀은 소재를 전도성으로 만들 수도 있습니다. 청동, 구리, 스테인리스 스틸 분말을 포함한 필라멘트는 강도 향상은 없지만 금속 같은 외관을 만들 수 있습니다. 복합 필라멘트는 3D 프린팅 부품의 하나 이상의 특성을 수정할 수 있지만, 더 단순한 기계에서 사용하기 어렵게 만드는 출력 이슈가 있을 수 있습니다.

내가 선택할 수 있는 가장 강한 3D 프린터 필라멘트는?

가장 강한 3D 프린터 필라멘트는 예상 하중 유형, 하중 강도, 3D 프린팅 부품의 설계-빌드 방향 및 충전 밀도 같은 세부 사항에 따라 달라집니다. 그러나 현재 이용 가능한 가장 강한 3D 프린터 필라멘트는 다음과 같습니다:

1. 탄소섬유 강화 나일론: 탄소섬유 첨가제의 강도 향상과 나일론의 인성 및 내구성을 결합하여 일반적으로 가장 강한 3D 프린팅 소재입니다.
2. 폴리카보네이트: PC는 높은 온도를 견딜 수 있는 강하고 내구성 있는 필라멘트입니다. 우수한 내충격성 등 높은 수준의 성능 특성을 제공합니다.
3. 폴리에테르이미드(Ultem / PEI): 우수한 강도, 내열성, 내화학성을 가진 열가소성 수지로, 항공우주 부품 시제품 제작에 널리 사용됩니다.

이 필라멘트들은 종종 특수 프린터 설정을 필요로 하며 단순한 FDM/FFF 프린터와 호환되지 않을 수 있음을 유의하세요. 출력이 상당히 더 어려울 수 있으므로, 시간 제약 하에 기능성 모델을 제작하기 전에 이러한 고성능 소재로 연습하는 것이 중요합니다.