[논문]적층조형 폴리머 재료의 기계적 물성 연구

김동범; 이인환; 조해용

doi:10.3795/ksme-a.2015.39.8.773

적층조형 폴리머 재료의 기계적 물성 연구
A Study on the Mechanical Properties of Additive Manufactured Polymer Materials 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.8, 2015년, pp.773 - 780

김동범 (충북대학교 기계공학부) , 이인환 (충북대학교 기계공학부) , 조해용 (충북대학교 기계공학부)

초록
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적층조형(additive manufacturing, AM)은 액체, 고체 상태인 폴리머, 금속 등의 재료를 층층이 쌓아서 3 차원 형상을 제조하는 기술이다. AM 기술은 제품 개발 초기단계에서 시제품 제작에 주로 사용되었으나, 최근 들어 이를 실제 제품제작에 적용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다. 한편 AM 기술에서 적층방향은 최종성형품의 기계적 물성에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 폴리머 재료를 사용하는 대표적인 AM 기술인 FDM, PolyJet 그리고 SLA 방식으로 제작되는 재료의 기계적 물성을 실험을 통해 파악하여 보았다. 이때 시험편의 형상은 ASTM D 638 을 참고하였고 적층방향을 달리하여 성형하였다. 시험편의 인장시험으로부터 얻은 응력-변형률 선도를 바탕으로 기계적 물성을 조사하였다. 또한 시험편의 파단부를 SEM 촬영하여 물성차이의 결과를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Traditionally, additive manufacturing (AM) technology has been used to fabricate prototypes in the early development phase of a product. This technology is being applied to release manufacturing of a product because of its low cost and fast fabrication. AM technology is a process of joining materials to fabricate a product from the 3D CAD data in a layer-by-layer manner. The orientation of a layer during manufacturing can affect the mechanical properties of the product because of its anisotropy. In this paper, tensile testing of polymer-based specimens were built with a typical AM process (FDM, PolyJet and SLA) to study the mechanical properties of the AM materials. The ASTM D 638 tensile testing standard was followed for building the specimens. The mechanical properties of the specimens were determined on the basis of stress-strain curves formed by tensile tests. In addition, the fracture surfaces of the specimens were observed by SEM to analyze the results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 다양한 적층 조형 방식을 이용하여 3차원 직교좌표계에 따른 적층방향을 갖도록 제작된 폴리머 재료를 각각 3축 방향의 인장시험을 통하여 재료의 기계적 물성을 파악하고자 하였다. 그리고 이에 따른 파단부를 주사 전자현미경 관찰을 통하여 분석하고자 하였다. 또한 각 적층조형 방식에서 적층방향과 공극률 등의 공정계획, 방법 등을 제시하고자 한다.
그리고 이에 따른 파단부를 주사 전자현미경 관찰을 통하여 분석하고자 하였다. 또한 각 적층조형 방식에서 적층방향과 공극률 등의 공정계획, 방법 등을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 AM의 적층 방향에 따른 재료의 기계적 물성을 조사하고 그 결과를 비교, 분석 하고자 하였다. 이를 위해 FDM, PolyJet, SLA 방식으로 시험편을 제작하고 인장 시험을 통하여 기계적 물성을 조사하였다.
이에 본 연구에서는 폴리머 재료를 이용한 적층 조형의 적층방향이 재료의 기계적 물성 변화에 끼치는 영향을 파악하고자 하였다. 즉, 다양한 적층 조형 방식을 이용하여 3차원 직교좌표계에 따른 적층방향을 갖도록 제작된 폴리머 재료를 각각 3축 방향의 인장시험을 통하여 재료의 기계적 물성을 파악하고자 하였다.

가설 설정

공극률을 계산하기 위해 필라멘트의 단면은 Fig. 7의 캡슐 형상과 같이 가정하고, 그 치수는 SEM의 측정결과를 참고하였다. 또한 시험편의 표점거리 내에서 필라멘트의 배열은 일정하기 때문에 단면적으로도 공극률을 계산할 수 있었다.

제안 방법

(1) FDM 방식으로 4가지 적층방향을 적용하여 성형된 시편의 기계적 물성을 조사하였다. 방향 1, 2와 3, 4의 기계적 물성에서 탄성계수 1000 MPa, 인장강도 20 MPa, 변형률 1.
FDM 기술에서는 성형물을 열간 정수압 프레스로 압축한 방식과 성형 시에 적층간격을 줄이며 토출시킴으로써 이러한 공간을 줄일 수 있다. ^(22,23) 따라서 본 연구에서는 다른 적층기술 보다 큰 공간이 존재하는 FDM 방식의 시험편에서 파단면을 FE-SEM 으로 관찰하였다.
Bluehill ® 2 소프트웨어에서 시험편 장착 시에 발생하는 압축력을 제거하기 위해 시편보호와 preload 기능을 적용하였다.
적층방향이 고려되어 제작된 시험편의 기계적 물성 차이가 있다는 사실을 인장시험 결과로부터 알 수 있었다. 그 원인을 조사하기 위해 Fig. 4와 같이 시험편 파단부의 정면을 주사 전자현미경으로 관찰하였다. 촬영을 위해 시험편에서 관찰부분을 채취하고 백금이 온 피막을 입혔다.
폴리머와 같이 경도가 낮은 시험편은 연신율계 장착부에 노치가 발생할 수 있다. 노치의 발생을 방지하기 위하여 연신이 큰 고무줄을 이용하여 연신율계를 시험편에 장착하였다. 인장시험 조건을 제어하고 데이터를 수집하기 위하여 Bluehill ^® 2 소프트웨어를 이용하였다.
6과 같이 필라멘트 간의 보이드는 시험편의 전체 단면적과의 비로써 공극률로 정의되며 이를 고려하지 않는다면 기계적 물성 연구에 오차가 발생할 수 있다. 따라서 공극률이 고려된 단면적으로 기계적 물성을 계산하고, 기존에 계산된 기계적 물성과 비교하였다.
인장시험기로 부터 출력된 응력–변형률 선도를 참고하여 재료의 기계적 물성을 조사하였다. 또한 기계적 물성의 결과에 대한 원인분석을 위하여 주사 전자현미경으로 시험편 표면을 관찰하였다.
또한 인장시험기는 적층 가공된 시험편의 기계적 물성 연구에 사용되었다. 시험편은 성형이 완료되면 서포트 제거 후에 치수와 노치 여부를 판단하고 인장시험에 적용하였다. 인장시험기로 부터 출력된 응력–변형률 선도를 참고하여 재료의 기계적 물성을 조사하였다.
PolyJet 방식인 Eden250을 이용하여 16 µm 적층두께로 시험편을 제작하였다. 시험편을 수직으로 세워 적층하며 성형할 때에는 휨 현상이 발생할 수 있으므로 서포트를 이용하였다. SLA방식인 ProJet 6000HD의 레이저 성형조건으로써, 원형 빔의 직경은 100 µm, 출력은 1 W, 이송속도는 3.
시험편의 성형방식에 따른 경향을 알아보기 위해 인장하중 방향과 평행하게 적층된 시험편 xz-x, 수직하게 적층된 시험편 xz-z 그리고 45°로 적층된 시험편 xz-xz의 탄성계수와 인장강도를 비교하였다[Fig. 8].
본 논문에서는 AM의 적층 방향에 따른 재료의 기계적 물성을 조사하고 그 결과를 비교, 분석 하고자 하였다. 이를 위해 FDM, PolyJet, SLA 방식으로 시험편을 제작하고 인장 시험을 통하여 기계적 물성을 조사하였다. 또한 시험편의 파단부를 SEM 촬영하고 결과를 분석하여 다음과 같은 결론들을 얻었다.
시험편은 Pro/ENGINEER 소프트웨어를 이용하여 모델링하고 3D 프린터로 성형하였다. 이방성 시험편의 성형을 위해 적층 면과 적층 방향을 달리하였다. 또한 인장시험기는 적층 가공된 시험편의 기계적 물성 연구에 사용되었다.
인장시험기로 부터 출력된 응력–변형률 선도를 참고하여 재료의 기계적 물성을 조사하였다.
을 따랐다. 인장시험편의 형상은 다섯 가지의 유형이 있으나 본 연구에서는 다양한 적층조형 기술과 폴리머 재료로 인하여 시험편의 강도와 경도가 일정하지 못하므로 TYPE 4 시험편의 형상과 치수를 참고하였다. 이때 TYPE 4의 허용두께는 4 mm이하이다.
이에 본 연구에서는 폴리머 재료를 이용한 적층 조형의 적층방향이 재료의 기계적 물성 변화에 끼치는 영향을 파악하고자 하였다. 즉, 다양한 적층 조형 방식을 이용하여 3차원 직교좌표계에 따른 적층방향을 갖도록 제작된 폴리머 재료를 각각 3축 방향의 인장시험을 통하여 재료의 기계적 물성을 파악하고자 하였다. 그리고 이에 따른 파단부를 주사 전자현미경 관찰을 통하여 분석하고자 하였다.

대상 데이터

PolyJet 방식인 Eden250을 이용하여 16 µm 적층두께로 시험편을 제작하였다.
본 연구에서 판재 시험편 제작에 사용된 3D 프린터(1)는 FDM 방식인 Stratasys ®의 Dimension® SST1200es, PolyJet방식인 Stratasys ®의 Eden250™ 그리고 SLA방식인 3D Systems ®의 ProJet ® 6000HD이다.
시험에 사용된 장비는 INSTRON® 사의 8801이다.
연신율계는 표점거리가 25 mm인 INSTRON® 2620 Series를 사용하였으며, 인장시험 동안 시험편의 연신율을 측정하였다.
동일한 방법으로 방향 3, 4는 각각 xz-z, xz-xz로 정하였다. 이와 같은 4 종류의 적층방향을 달리하여 FDM, PolyJet, SLA 기술로 제작된 시험편은 각각 5개씩, 총 60개이다.

이론/모형

본 연구에서는 적층가공에서 성형된 재료의 강도를 평가하기 위해 폴리머 재료를 이용하는 대표적인 AM 기술인 FDM, PolyJet 그리고 SLA 방식^(2~4)을 선택하였다. 시험편은 Pro/ENGINEER 소프트웨어를 이용하여 모델링하고 3D 프린터로 성형하였다.
본 연구에서의 인장 시험편은 폴리머 재료이므로 ASTM D 638 ⁽¹⁵⁾을 따랐다. 인장시험편의 형상은 다섯 가지의 유형이 있으나 본 연구에서는 다양한 적층조형 기술과 폴리머 재료로 인하여 시험편의 강도와 경도가 일정하지 못하므로 TYPE 4 시험편의 형상과 치수를 참고하였다.
인장시험 조건을 제어하고 데이터를 수집하기 위하여 Bluehill ® 2 소프트웨어를 이용하였다.
인장시험법은 ASTM D 638을 이용하여 폴리머재료의 성질에 맞는 조건으로 시험하였다. 시험에 사용된 장비는 INSTRON^® 사의 8801이다.

성능/효과

(2) PolyJet을 이용하여 제작된 시험편의 기계적 물성을 조사한 결과에서 FDM과 동일한 경향이 나타났다. 방향 1, 2와 3, 4의 기계적 물성에 큰 차이가 발생하였다.
(3) SLA 기법으로 제작된 시편의 기계적 물성에서 총 네 가지의 적층방향으로 제작된 시험편의 응력–변형률 선도가 비슷한 경향임을 알 수 있다. 따라서 SLA에서 적층방향과 기계적 물성의 관계가 없다고 판단되며 적층방향의 고려 없이 제작 가능하다.
(4) 적층가공 시에 충분한 강도가 요구가 되는 부분은 인장하중 방향에서 평행한 방향으로 적층 조형하는 것이 이롭다.
476 mm²이다. FDM으로 성형된 방향 2 xz-x 시험편의 공극률은 8.73 %로 계산되었다. 따라서 공극을 제외하고 실제 폴리머 면적만을 고려한 인장강도는 33.
그래프에서 FDM 기술로 성형된 시험편은 적층방향과 하중방향의 상대각도가 0°일 때 탄성계수와 인장강도가 가장 높았고 90°일 때 가장 낮았으며 선형에 가까운 경향을 가지는 것을 볼 수 있다. SLA 방식의 시험편 결과에서 상대각도에 따른 탄성계수와 인장강도는 대체적으로 완만한 기울기를 나타내었다. 또한 PolyJet 방식의 시험편에서는 상대각도 0°를 기준으로 45°, 90°의 탄성계수, 인장강도가 큰 차이가 있는 것을 알 수 있다.
그래프에서 FDM 기술로 성형된 시험편은 적층방향과 하중방향의 상대각도가 0°일 때 탄성계수와 인장강도가 가장 높았고 90°일 때 가장 낮았으며 선형에 가까운 경향을 가지는 것을 볼 수 있다.
촬영결과에서 알 수 있듯이 필라멘트들은 인장하중 방향으로부터 사선으로 교차되며 성형된 것이다. 그러므로 필라멘트들이 인장하중 방향으로 평행하게 적층된 xz-x 시험편 보다 강도가 작은 것을 알 수 있었다. 다음 PolyJet으로 성형된 시험편의 사진을 Fig.
Bluehill ^® 2 소프트웨어에서 시험편 장착 시에 발생하는 압축력을 제거하기 위해 시편보호와 preload 기능을 적용하였다. 또한 연신율이 큰 폴리머는 연신율계의 측정 한계 이상으로 인장변형되므로 연신율계를 시험 중에 탈착할 수 있는 기능을 선택하였다. 인장 속도는 5 mm/min ⁽¹⁵⁾으로 시험하였으며 시험장 실내의 온도는 약 20 ℃로 유지시켰다.
또한 인장하중과 평행하게 성형된 방향 1, 2 시험편의 응력–변형률 선도는 비슷한 경향이며 강도와 연신율이 가장 높았다.
2 MPa로 높아짐을 알 수 있다. 이를 통하여 동일한 재료와 체적으로 이루어진 구조물일지라도 공극률로 인하여 인장강도 차이가 발생하는 것을 알 수 있었다. 이때 FDM으로 제작된 재료의 기계적 물성 변화에서는 공극률이 주요 인자라고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적층조형은 어떤 기술인가?	적층조형(additive manufacturing, AM)은 액체, 고체 상태인 폴리머, 금속 등의 재료를 층층이 쌓아서 3 차원 형상을 제조하는 기술이다. AM 기술은 제품 개발 초기단계에서 시제품 제작에 주로 사용되었으나, 최근 들어 이를 실제 제품제작에 적용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다.
	적층 방향에 따른 기계적 물성의 변화가 없는 AM은 어떤 기법을 이용한 것인가?	(3) SLA 기법으로 제작된 시편의 기계적 물성에서 총 네 가지의 적층방향으로 제작된 시험편의 응력–변형률 선도가 비슷한 경향임을 알 수 있다. 따라서 SLA에서 적층방향과 기계적 물성의 관계가 없다고 판단되며 적층방향의 고려 없이 제작 가능하다.
	FDM으로 제작된 재료의 기계적 물성 변화에 영향을 미치는 요인은 무엇인가?	제품의 강도를 고려한다면 방향 1, 2로 성형하는 것이 바람직하다. 여기서 FDM으로 제작된 재료의 기계적 물성 변화에서는 적층방향과 공극률이 주된 원인이라 생각된다. 따라서 FDM기술로 제품을 성형 시에 적층방향과 공극률이 적용된 성형계획이 필요할 것이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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