적층 제조 제품의 성공은 재료의 특성 및 거동에 달려 있습니다. 유변학은 안전하고 효과적이며 재현 가능성이 있는 폴리머 제조를 위한 귀중한 정보를 제공합니다.

폴리머 제품은 포장 필름과 요거트 컵부터 복잡한 차량 부품에 이르기까지 모든 곳에 존재합니다. 이처럼 다양한 활용 분야에서, 플라스틱 제품은 일반적으로 동일하게 구성된 간단한 단계에 따라 제조됩니다.

1. 일반적으로 과립이나 파우더 형태의 폴리머 기반 재료로 시작합니다
2. 재료를 가열하여 유동성이 있는 용융물을 만듭니다
3. 용융된 재료를 필름 중공, 사출 성형, 압출 또는 적층 제조(3D 프린팅)과 같은 공정을 통해 성형합니다
4. 제품을 냉각시키고 굳힙니다

공정에 따라 제품의 특성 및 물리적 형태는 크게 달라집니다. 제조업체가 원하는 최종적인 제품 품질을 달성하려면, 재료 및 그 활용 분야에 대한 심층적인 지식이 필요합니다. 공정을 진행하는 동안 재료에 관하여 파악할 수도 있지만, 재료 손실이 증가하며 제품 비용이 증가하게 됩니다.

재료 특성 규명은 공정에 돌입하기 전 실험실 규모에서 수행할 때 보다 효율적이며, 궁극적으로는 생산성이 향상됩니다. 그 후, 제조업체는 측정된 재료 특성에 따라 공정 조건을 설계할 수 있습니다.

제조업체와 연구자들 모두 재료의 변형 및 흐름에 관한 연구인 유변학을 활용합니다. 유변학은 액체 및 고체 재료에 관한 중요하고 정확한 통찰력을 제공하여, 성공적인 적층 제조에 정보를 제공합니다.

적층 제조는 효율성 및 고유 형상에 있어 새로운 기회를 제시하지만, 완벽한 제품을 생산하는 데는 다양한 장애물이 존재합니다.

적층 제조 공정 중 폴리머는 용융 상태로 녹은 다음 3D 프린터의 라인과 노즐을 통해 압출됩니다. 따라서 폴리머는 유동성이 아주 좋아야 하며, 가능한 한 점도가 낮아야 합니다. 그러나 압출 직후 형태를 유지할 수 있어야 하며 냉각 중에 변형되지 않아야 합니다. Waters – TA Instruments의 애플리케이션 전문가인 Lukas Schwab은 3D 프린팅에 사용되는 재료는 액체의 유동성 특성인 점도와 고체의 탄성 사이에서 정밀한 균형이 필요하다고 지적합니다.

3D 프린팅은 좁은 다이를 통해 폴리머를 누르는 과정이 포함됩니다. 다이 바로 뒷부분에서 폴리머 가닥이 성형 다이의 직경에 비해 약간 증가하는 “가닥 팽창” 현상이 발생할 수 있습니다. 직경이 변화하는 정도는 유량계로 검사할 수 있습니다. 제조업체는 가닥 팽창을 예측하고 측정함으로써 자사 3D 제품의 정밀성을 확보할 수 있습니다.

재활용 소재를 함께 사용하는 것은 폴리머 제조업체에게 또다른 어려움입니다. 사용한 플라스틱에는 종종 용융물의 품질 및 가공성뿐 아니라 제조 공정 중 거동에 영향을 미칠 수 있는 잔여 첨가물, 색소, 충전물이 포함되어 있습니다. 그 결과 재활용 플라스틱 공정 및 최종 제품은 예측이 어렵습니다. 따라서 바이오플라스틱 은 자세한 재료 분석이 필요합니다.

이러한 잠재적인 혼란과 불확실성에도 불구하고, 제조업체는 여전히 예측성이 높은 제품 관리 및 품질 보장 조치를 실시할 수 있습니다. 분석에서 두 가지 측면을 고려하는 것이 핵심입니다.

• 제품에 사용된 모든 재료 구성 요소의 상호작용
• 온도, 압력 및 유속을 포함한 공정 필수 파라미터

Waters의 애플리케이션 및 지원 전문가인 Marco Coletti는 웨비나를 통해 유변학 연구를 통해 3D 프린팅 및 적층 제조 공정을 최적화할 수 있는 방법을 설명합니다.

Lukas Schwab은 강력한 고정밀 유량계를 사용해 재료 특성 규명의 중요한 부분인 유변학적 특성을 결정할 수 있다고 설명합니다.

“다만, 특히 폴리머 용융물과 같은 액체 물질의 경우, 적절한 장비를 갖추지 않으면 유변학적 특성을 파악하고 예측하는 데 시간이 아주 많이 소요될 수 있습니다”라고 Waters의 애플리케이션 전문가는 이야기합니다. 샘플 거동은 종종 해당 샘플에 작용하는 힘의 크기에 따라 달라지기 때문에 “샘플의 흐름 및 변형 거동은 실험적으로 막연하게만 예측하거나, 아니면 유변학을 통해 보다 정확히 결정할 수 있습니다.”

Discovery 하이브리드 유량계(DHR)는 유변학적 측정을 위한 다목적 분석 플랫폼입니다. 특허를 받은 최신 기술을 탑재했으며 사용자 친화성이 높아, 직장력 또는 변형 제어 및 축방향 힘 사양을 이용한 측정을 손쉽게 수행할 수 있습니다.

유변학적 측정은 유량계로 수행할 수 있습니다. 유량계는 재료(액체 또는 고체)에 힘을 가했을 때 발생하는 변형을 측정합니다. 응력, 변형 및 전단 거동의 조합은 재료 변형의 과학인 유변학의 기초를 형성합니다.

회전 유변학적 측정의 경우 샘플을 두 개의 원형 플레이트 사이의 실린더에 놓고 함께 압착합니다. 그 후 플레이트 중 하나가 예를 들어, 정해진 속도와 방향으로 회전합니다. “예를 들어, 3D 프린팅에서 재료의 점도 및 처리량을 결정하는 데는 회전 측정법이 적합합니다”라고 Lukas Schwab은 설명합니다.

이와는 대조적으로, 두 플레이트 중 하나가 진폭이 작은 사인파 형태로 앞뒤로 움직이는 진동 측정은 재료의 평형 구조에 관한 정보를 더 많이 제공하고 따라서 재료 물성을 결정하는 데 더 많이 사용됩니다. 진동 측정은 다양한 제품 배치 간 분자량 또는 재료가 낮은 하중에 노출되었을 때의 거동에 관한 의문에 답을 구하는 데 사용됩니다.

재료의 점도 또는 점탄성은 대체로 유변학의 도움을 받아 결정되며, Lukas Schwab의 요약에 따르면 “내부 마찰로 인한 흐름 저항의 척도인 점도는 입자 크기와 같은 시스템의 미세한 특성에 따라 달라집니다. 결과적으로, 점탄성은 변형력에 대한 재료의 특성을 측정한 것입니다. 순수한 탄성 물질은 하중을 가한 후 에너지 손실이 없습니다. 점탄성 물질의 경우 물질의 변형으로 인해 응력-변형률 거동 효과에 일부 변화(이력 현상)가 있습니다.”

바람직하지 않은 점탄성 거동으로 인하여 재료 성능 및 취성 저하를 초래할 수 있기 때문에, 유변학적 측정이 품질 관리 수단으로 많은 생산 공정에 사용된다고 Lukas Schwab은 설명합니다. 점탄성은 또한 고체의 내구성 및 열역학적 분해 거동을 결정하는 데 사용될 수 있습니다.

점도, 분자량, 재료 거동 및 점탄성과 같은 모든 필수 특성을 측정하는 일은 어려워 보일 수 있지만,  Discovery 하이브리드 유량계는 업계 최고의 정확도와 사용 편의성으로 용융 또는 고체 폴리머 재료에 대한 완전한 그림을 제공할 수 있습니다.

지속 가능하며 효과적인 폴리머 생산을 위한 다른 재료 분석법을 더 알아보시려면 폴리머 활용 페이지를 확인해 주십시오. 또한, TA Instruments에 문의하여 폴리머 재료 분석 전문가를 찾아주십시오.