열 분석을 통한 3D 프린팅 재료의 최적화 방법

Jason Saienga | Gray Slough | Morgan Ulrich
May 30, 2022

적층 제조라고 불리는 3D 프린팅은 다양한 산업 분야에 있어서 다목적의 제조 기술로 채택되고 있습니다. 3D 프린팅은 신속한 프로토타입 제작 및 주문형 프린팅 솔루션을 통한 배치 생산에 따른 잠재적 낭비를 막아줍니다.

3D 프린팅이 제조업에서 널리 채택되고 있는 이유 중 하나는 복잡한 형상의 제조가 가능하기 때문입니다. 기존의 제조 방법으로는 구조물에 캐비티와 언더컷을 제작하는 것이 불가합니다. 적층 제조 방식을 사용하면 어려운 형상을 쉽게 만들 수 있습니다.

오늘날 3D 프린팅 재료는 생체적합성 중합체 및 금속을 비롯한 다양한 범위로 확장되고 있습니다. 3D 프린팅은 맞춤형 의료 기기 생산을 위한 의료 분야에서도 사용되고 있습니다.1

3D 프린팅 재료의 최적화를 위해 제조업자는 최종 재료의 기계적 특성과 열 특성을 세심하게 고려해야 합니다. 3D 프린팅 부품은 가볍고 중합체 성분의 적절한 조합은 금속과 유사한 인장 강도를 줄 수 있지만, 일반적으로 적층 제조된 부분의 낮은 기계적 및 열 특성을 극복하는 것이 가장 큰 과제 중 하나입니다.2

3D 프린팅 제품 특성을 위한 공정 최적화

압출 공정이 프린팅 재료의 최종 특성에 미치는 영향을 파악하는 것은 매우 활발한 연구 분야입니다. 자동차 응용 분야 재료의 인장도 및 열 속성 측면에서 가장 까다로운 분야입니다.

탄소 섬유, 유리 섬유 및 케블라를 포함하는 열가소성 중합체 매트릭스는 3D 프린팅에 적합하고 자동차 응용 분야에서 사용하기에도 충분히 높은 성능을 가지고 있습니다.2

3D 프린팅 공정에서 프린트될 기질은 용해된 후 레이어에 축적되면서 최종 제품을 생성합니다. 중합체 베드 및 노즐 온도, 레이어 간 경화 시간 등 공정을 최적화를 위한 다양한 매개변수가 있습니다.

3D 프린팅은 선택적 레이저 소결, 바이오 프린팅 및 융합 증착 모델링 등 다양한 방법으로 활용이 가능합니다. 융합 증착 모델링이 가장 일반적인 방법입니다.

유리 전이 온도는 비정질 중합체를 압출 성형하기 위한 적정 온도의 선택에 있어서 필수적인 데이터입니다. 반결정 중합체의 경우 용융 온도가 중요합니다. 결정성의 정도는 중합체의 기계적 특성에 큰 영향을 줍니다.

많은 중합체는 UV 광선으로 경화되며, UV 광선은 중합체 재료에서 최종 중합체 생산 시 교차 결합 공정의 기폭제 역할을 하는 라디칼을 생성합니다. 일반적으로 교차 결합 정도가 높을수록 더 단단하고 강한 재료가 됩니다. 샘플이 UV 광선에 노출되는 시간이 바뀌면 교차 결합된 재료의 강도에 영향을 줄 수 있습니다.

온도와 경화 시간은 모두 재료의 중합체 분자 구조와 그 특성에 영향을 미칩니다. 따라서 이러한 매개 변수를 최적화하고 최종 재료에 미치는 영향을 알아보기 위해 재료 설계자는 중합체 특성의 세부 사항을 고려한 테스트 기법을 사용합니다.

3D 프린팅 재료의 열 분석

압출 공정이 최종 재료 특성에 미치는 영향을 알아보기 위한 주요 열 분석 도구에는 열중량 분석(TGA), 시차주사열량분석법(DSC), 열기계 분석(TMA) 및 동적 기계 분석(DMA)이 있습니다.3 각 기술은 프린팅 재료의 특성을 보다 심층적으로 이해할 수 있도록 취합하는 보충 정보를 제공합니다.

열중량 분석 은 온도 또는 시간의 함수로 재료의 크기 및 중량 변화율을 측정합니다. TGA(열중량 분석)는 가열 시 많은 물질이 산화 또는 분해를 거쳐 중량 변화를 일으킬 수 있어 압출의 영향의 분석에 매우 유용합니다.4 열중량 분석은 압출 공정에서 샘플에 적용되는 조건에서 품질 저하 여부의 판단에 가장 좋은 방법 중 하나입니다.

시차주사열량분석법은 물질의 발열 및 흡열 전이를 온도 함수로 측정하는 강력한 분석 방법입니다. 압출 공정에서는 유리 전이 온도, 용융 온도, 재료의 열 용량 등을 주로 사용합니다.

시차주사열량분석법 및 열중량 분석법은 압출 효과를 파악하기 위해 사용하는 강력하고 상호 보완적인 분석 방법입니다. 이 방법을 함께 사용하여 압출 온도에서의 중합체 열 속성을 프로파일링할 수 있습니다.3

열기계 분석은 열팽창계수(CTE)와 유리 전이 온도를 측정하는 또 다른 보완 기술입니다. 유리 전이 온도는 재료의 열 이력에 따라 달라지기 때문에 열기계 분석은 완성 제품에 대해 압출 공정에 의한 불필요한 기계 동작의 발생 여부를 판단할 수 있는 방법입니다.  또한 보강재는 섬유 방향으로 측정한 방향에 따라 CTE(열팽창계수)에서 비등방성을 보일 수 있습니다.3

동적 기계 분석을 통해 동적 하중 조건에서 재료의 동작에 대한 정보를 알 수 있기 때문에 고분자 복합체 분석을 위해 재료 공학 분야에서도 널리 사용됩니다.5 DMA(동적 기계 분석)은 다양한 공식과 공정이 최종 사용 성능에 미치는 영향을 반영하여 완성된 3D 프린팅 부분의 특성 분석에 특히 유용합니다.

올바른 3D 프린팅 열 분석 기술 선택

대부분의 3D 프린팅 제조 라인은 위에서 언급한 기술의 조합을 사용합니다. 열 분석 분야의 세계적 선도기업인 TA 인스트루먼트는 전 세계 적층 제조업체에 의해 선택받는 계측기 공급업체입니다.

당사는 다양한 산업 분야에서 고유한 3D 프린팅 과제와 목표에 적합한 기기와 방법을 찾도록 지원합니다. 당사는 사용이 간편하고 효율적으로 설계된 업계 최고의 여러가지 열 분석 기기를 공급합니다. TA 인스트루먼트의 종합적인 열 분석 제품 라인에는 기질의 열 및 기계적 특성의 완벽한 규명에 필요한 모든 기기가 구비되어 있습니다.

TA 인스트루먼트의 열 분석 및 기계 분석 장비 제품군을 사용하여 3D 프린팅의 품질을 개선하는 방법과 관련한 자세한 내용은 당사의 전문가와 상담하십시오.

참고 자료:

  1. Trenfield, S. J., Awad, A., Madla, C. M., Hatton, G. B., Goyanes, A., Gaisford, S., Basit, A. W., Trenfield, S. J., Awad, A., Madla, C. M., & Hatton, G. B. (2019). Shaping the future: recent advances of 3D printing in drug delivery and healthcare. Expert Opinion on Drug Delivery, 16(10), 1081–1094. https://doi.org/10.1080/17425247.2019.1660318
  2. Mohammadizadeh, M., & Fidan, I. (2019). Thermal Analysis of 3D Printed Continous Fiber Reinforced Thermoplastic Polymers for Automotive Applications. Solid Freeform Fabrication 2019: Proceedings of the 30th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium – An Additive Manufacturing Conference, 899–906. https://utw10945.utweb.utexas.edu/sites/default/files/2019/078%20Thermal%20Analysis%20of%203D%20Printed%20Continuous%20Fiber%20Re.pdf
  3. Billah, K. M., Lorenzana, F. A. R., Martinez, N. L., Chacon, S., Wicker, R. B., & Espalin, D. (2019). Thermal Analysis of Thermoplastic Materials Filled with Chopped Fiber for Large Area 3D Printing. Solid Freeform Fabrication 2019: Proceedings of the 30th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium – An Additive Manufacturing Conference, 892–898. https://utw10945.utweb.utexas.edu/sites/default/files/2019/077%20Thermal%20Analysis%20of%20Thermoplastic%20Materials%20Filled.pdf
  4. TA Instruments (2022) 3D Printing Webinar, https://www.tainstruments.com/3-d-printing-and-additive-manufacturing-process-optimization-a-thermal-approach/, accessed May 2022
  5. Saba, N., Jawaid, M., Alothman, O. Y., & Paridah, M. T. (2016). A review on dynamic mechanical properties of natural fibre reinforced polymer composites. Construction and Building Materials, 106, 149–159. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.075

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