본 연구에서는 대표적인 친환경 소재인 바이오복합재료(bio-composite)를 이용한 3D 프린터 필라멘트를 제작하였다. 바이오복합재료의 제조를 위해 매트릭스로는 생분해성 고분자인 poly lactic acid (PLA)를 그리고 충전제로는 대나무 분말(Bamboo flour)을 사용하였다. 대나무는 담양에서 생산되는 왕대, 솜대, 죽순대를 이용하였으며, 대나무 분말과 PLA의 혼합비율은 중량기준 10/90, 20/80, 30/70으로 설정하였다. 3개 죽종으로 제조한 대나무/PLA 바이오복합재료의 기본물성 평가를 위해 인장강도를 비교하였다. 그 결과, 왕대 분말/PLA의 비율이 10/90일 때의 인장강도가 7.12 MPa로 가장 높게 나타남으로써 3D 프린터 필라멘트 제작용 대나무/PLA 바이오복합재료로 가장 적합한 것으로 판단되었으며, 현미경 관찰 결과, 죽분의 함량을 더욱 낮춘 필라멘트를 제작할 필요성이 있다고 판단된다.
본 연구에서는 대표적인 친환경 소재인 바이오복합재료(bio-composite)를 이용한 3D 프린터 필라멘트를 제작하였다. 바이오복합재료의 제조를 위해 매트릭스로는 생분해성 고분자인 poly lactic acid (PLA)를 그리고 충전제로는 대나무 분말(Bamboo flour)을 사용하였다. 대나무는 담양에서 생산되는 왕대, 솜대, 죽순대를 이용하였으며, 대나무 분말과 PLA의 혼합비율은 중량기준 10/90, 20/80, 30/70으로 설정하였다. 3개 죽종으로 제조한 대나무/PLA 바이오복합재료의 기본물성 평가를 위해 인장강도를 비교하였다. 그 결과, 왕대 분말/PLA의 비율이 10/90일 때의 인장강도가 7.12 MPa로 가장 높게 나타남으로써 3D 프린터 필라멘트 제작용 대나무/PLA 바이오복합재료로 가장 적합한 것으로 판단되었으며, 현미경 관찰 결과, 죽분의 함량을 더욱 낮춘 필라멘트를 제작할 필요성이 있다고 판단된다.
In this study, the 3D printer filaments were manufactured by using the representative eco-friendly material, bio-composite. Bio-composites were made by incorporating biodegradable polymer of poly lactic acid (PLA) as the matrix and bamboo flour as the filler. The bamboos which were used in this expe...
In this study, the 3D printer filaments were manufactured by using the representative eco-friendly material, bio-composite. Bio-composites were made by incorporating biodegradable polymer of poly lactic acid (PLA) as the matrix and bamboo flour as the filler. The bamboos which were used in this experiment are Phyllostachys bambusoides, Phyllostachys nigra var. henonis, and Phyllostachys pubescen grown in Damyang district in Korea, and the mixture ratio between bamboo flour and PLA were set 10/90, 20/80, 30/70 by weight standard. Also, tensile strength of bamboo/PLA bio-composites manufactured with three kinds of bamboo were estimated and compared. In this result, the highest estimated bio-composites was Phyllostachys bambusoides flour/PLA which mixture ratio was 10/90, that is, it was the most suitable bamboo/PLA bio-composites for manufacturing 3D printer filament.
In this study, the 3D printer filaments were manufactured by using the representative eco-friendly material, bio-composite. Bio-composites were made by incorporating biodegradable polymer of poly lactic acid (PLA) as the matrix and bamboo flour as the filler. The bamboos which were used in this experiment are Phyllostachys bambusoides, Phyllostachys nigra var. henonis, and Phyllostachys pubescen grown in Damyang district in Korea, and the mixture ratio between bamboo flour and PLA were set 10/90, 20/80, 30/70 by weight standard. Also, tensile strength of bamboo/PLA bio-composites manufactured with three kinds of bamboo were estimated and compared. In this result, the highest estimated bio-composites was Phyllostachys bambusoides flour/PLA which mixture ratio was 10/90, that is, it was the most suitable bamboo/PLA bio-composites for manufacturing 3D printer filament.
따라서, 본 연구의 목적은 바이오복합재료를 이용 하여 기존의 ABS계 필라멘트를 대체하는 친환경 필라멘트를 제작하는 것이다. 이를 위하여 대표적인 생분해성 고분자 중 하나인 PLA를 매트릭스로 사용하였고, 대나무 분말을 충전제로 사용하여 제조한 바이오복합재료로 3D 프린터 필라멘트를 제작하였으며, 바이오복합재료의 인장특성을 평가하였고 필라멘트의 현미경 관찰 및 3D 프린터 출력을 하였다.
제안 방법
따라서, 본 연구의 목적은 바이오복합재료를 이용 하여 기존의 ABS계 필라멘트를 대체하는 친환경 필라멘트를 제작하는 것이다. 이를 위하여 대표적인 생분해성 고분자 중 하나인 PLA를 매트릭스로 사용하였고, 대나무 분말을 충전제로 사용하여 제조한 바이오복합재료로 3D 프린터 필라멘트를 제작하였으며, 바이오복합재료의 인장특성을 평가하였고 필라멘트의 현미경 관찰 및 3D 프린터 출력을 하였다.
대상 데이터
바이오복합재료의 보강재로는 기존의 탄소섬유나 유리섬유 보다 CO2 등의 온실가스의 격리성능이 뛰어나며, 소재의 재활용 측면과 우수한 강도를 기대할 수 있는 대나무 분말을 사용하였다. 대나무는 열대, 아열대, 온대 남부를 중심으로 분포하는 다년생 식물로, 성장이 매우 빠르기 때문에 원료 수급에 용이하다는 장점이 있다.
본 연구에서 사용된 대나무는 담양에서 2017년 7월에 재배된 왕대(Phyllostachys bambusoides: Timber bamboo), 솜대(Phyllostachys nigra var. henonis: Henon bamboo) 및 죽순대(Phyllostachys pubescen: Moso bamboo) 3개 죽종을 공시수종으로 선정하였다. 대나무의 oil층을 제거하기 위해 껍질을 벗긴 대나무 상태에서 구매하여 사용하였다.
데이터처리
제작된 대나무/PLA 바이오복합재료의 인장특성은 사출공정을 통해 얻어진 인장시편에 대하여 ASTM D638-08에 의거하여 전남대 소재 1 ton 만능강도 시험기(Universal Testing Machine: UTM)를 사용하여 측정하였다. 이때의 crosshead 속도는 5 mm/min이며 상온에서 실시하였다.
성능/효과
본 연구를 통해 각 비율별 3개 죽종의 대나무/PLA 바이오복합재료를 이용하여 기존의 필라멘트를 대체할 친환경 필라멘트를 제작함으로써 대나무 분말의 죽종과 함량이 인장특성과 거칠기, 3D 프린터 출력물의 상태에 영향을 준다는 것으로 확인되었다.
제작한 대나무/PLA 필라멘트를 이용하여 3D 프린터 출력한 결과, 대나무 분말의 함량이 증가할수록 출력물의 거칠기가 증가하고 필라멘트의 녹는 정도에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
제조한 바이오복합재료의 인장특성을 조사한 결과, 왕대 분말 : PLA = 10 : 90의 비율일 때 인장강도가 7.12 MPa로 가장 높게 평가되어 3D 프린터 필라멘트 제작용으로 적합하다는 것을 보여주었다.
후속연구
6는 대나무 분말의 함량에 따른 필라멘트의 외형을 나타내고 있다. 대나무 분말의 함량이 증가할수록 필라멘트의 색이 진해지는 것을 관찰할 수 있었는바 이는 대나무 분말이 높은 온도로 인한 탄화 현상에 의해 진해진 것으로 판단되나 보다 추가적인정량적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
poly lactic acid의 장점은 무엇인가?
복합재료는 두 종류 이상의 소재를 조합함으로써 물리적 및 화학적으로 본래의 소재와는 다른 성질을 만들어내고 우수한 기능을 갖게 한 재료로, 구성성분은 매트릭스와 보강재로 구분된다. 본 연구에서는 바이오복합재료의 매트릭스로 생분해성 고분자의 일종인 poly lactic acid (PLA)를 사용하였는데, 이는 옥수수의 전분에서 추출한 원료로 만든 친환경 수지로 인장특성이 우수하고 압출/사출 공정이 용이하다고 알려져 있다. 이러한 장점에도 불구하고 PLA는 상대적으로 열변형 온도가 낮고 가격이 비싸다는 단점을 지니고 있는데, 이러한 부족한 특성을 보완하기 위한 연구가 진행되고 있다(Cho and Cho, 2016).
복합재료란 무엇인가?
복합재료는 두 종류 이상의 소재를 조합함으로써 물리적 및 화학적으로 본래의 소재와는 다른 성질을 만들어내고 우수한 기능을 갖게 한 재료로, 구성성분은 매트릭스와 보강재로 구분된다. 본 연구에서는 바이오복합재료의 매트릭스로 생분해성 고분자의 일종인 poly lactic acid (PLA)를 사용하였는데, 이는 옥수수의 전분에서 추출한 원료로 만든 친환경 수지로 인장특성이 우수하고 압출/사출 공정이 용이하다고 알려져 있다.
차세대 프린터인 3D 프린터는 단점은 무엇인가?
이러한 장점으로, 3D 프린터는 3차원 디자인 형상 제작 등에 이용되고 있으며 의료, 건축, 자동차 등의 제작에 활용되고 있다. 3D 프린터에 사용되는 기존의 ABS계 필라멘트는 저가인 대신, 제조와 사용과정에서 초미세먼지와 발암물질을 방출해 환경과 인체에 악영향을 준다고 알려지고 있다(Stephens 등, 2013).
참고문헌 (14)
Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics ASTM D638-08
Journal of Materials & Design Le Duigou 96 106 2016 10.1016/j.matdes.2016.02.018 3D printing of wood fiber biocomposites: From mechanical to actuation functionality
Journal of Engineering Lu 1 1 85 2015 Development Trends in Additive Manufacturing and 3D printing
Journal of Adhesion and Interface Cho 13 3 121 2012 10.17702/jai.2012.13.3.121 Effect of Bamboo Fiber Grinding on the Mechanical, Thermal, Impact, and Water Absorption Properties of Bamboo/Poly (lactic acid) Biocomposites
Journal of Adhesion and Interface Cho 17 3 96 2016 10.17702/jai.2016.17.3.96 Water Treatment Effect of Bamboo Fiber on the Mechanical Properties, Impact Strength, and Heat Deflection Temperature of Bamboo Fiber/PLA Biocomposites
Journal of Polymer Degradation and Stability Carrasco 95 2 116 2010 10.1016/j.polymdegradstab.2009.11.045 Processing of poly(lactic acid): Characterization of chemical structure, thermal stability and mechanical properties
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Journal of Technical Association of the Pulp and Paper Industry Kang 44 4 69 2012 A Study on the Utilization of Ingredients and Fibers from Korean Bamboo Species in Value-added Industry: Part 2. -Preparation and Characterization of Bamboo Fibers-
Journal of Technical Association of the Pulp and Paper Industry Kim 40 3 59 2008 Properties of WPC Prepared with Various Size and Amount of Wood Particle
Journal of Rubber Lee 46 3 211 2011 Preparation and Characterization of Wood Polymer Composite by a Twin Screw Extrusion Elastomers and Composites
Journal of Korean Society Of Wood Science and Technology Lee 37 4 310 2009 Properties Evaluation of Bio-Composite by Content and Particle Size of Bamboo Flour
Journal of Materials Science Ryoko 43 2 775 2008 10.1007/s10853-007-1994-y How to improve mechanical properties of polylactic acid with bamboo fibers
Journal of Wood Science and Technology So 27 2 7 1999 Wood Characteristics of Phyllostachys bambusoides, Phyllostachys nigra var. henonis, and Phyllostachys pubescens Grown in Damyang District
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