[논문]FDM 3D프린팅 윤활유에 따른 내부응력 완화에 관한 연구

이선곤; 김용래; 김수현; 강선호; 김주형

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.2.082

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In this paper, the effects of different 3D printing conditions including oil lubrication and annealing are observed for their effects on tensile testing. In 3D printing, a press-out extrude filament is rapidly heated and cooled to create internal stress in the printed part. The 3D printing internal ...

In this paper, the effects of different 3D printing conditions including oil lubrication and annealing are observed for their effects on tensile testing. In 3D printing, a press-out extrude filament is rapidly heated and cooled to create internal stress in the printed part. The 3D printing internal stress can be removed using oil-coated filament and annealing. During the oven cooling at an annealing temperature of $106^{\circ}C$, the stress of the specimens with laminated angle $0^{\circ}$ tends to increase by 12.6%, and that of the oil-coated filament printing specimens is increased by 17%. At the annealing temperature of $106^{\circ}C$, the stress of the oil-coated filament printing specimens tends to increase by 35%. In this study, we have found that the oil lubrication and annealing remove the internal stresses and increase the strength of the printed specimens. The oil lubrication and annealing reform the crystalline structures to even out the areas of high and low stress, which creates fewer fragile areas. These results are very useful for the manufacture of 3D printing products with a suitable mechanical strength for applications.

주제어

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문제 정의

3D프린팅 적층물의 강도저하는 3D 프린팅의 산업적 활용화 확대에 악영향을 미치고 있으므로 이를 보안하고 개선하고자 프린팅 적층각도 별, 속도별, 내부 체움(fill density) 별, 프린팅 노즐 사이즈별 강도 연구 등 프린팅 조건에 따른 적층물의 강도 향상을 위한 연구와 프린팅 후 적층물 표면 샌딩(sanding) 후 에폭시 코팅(epoxy coating), 적층물의 표면을 얇게 녹이는 훈증(fumigation) 방법 등으로 층간 결합력을 강화시키 다양한 후처리 기법들이 시도되어지고 있으나, 이는 FDM 3D프린팅 시 발생하는 강도저하의 구조적 결함을 해결하고자 하는 접근법이 아니라 한계점을 지니고 있다. 따라서 본 연구는 FDM 3D프린팅의 구조적 결함으로 인한 적층물의 기계적 특성 저하를 보안할 수 있는 3D프린팅 윤활(lubrication)과 어닐링(annealing)에 대하여 연구를 진행하여 산업용으로 적합한 기계적 강도를 얻을 수 있는 최적의 프린팅 조건을 제시하고 3D프린팅 활용 범위 확대에 기여하고자 한다.
1의 자체 디자인 한 윤활공급 장치를 이용하여 오일을 필라멘트 표면에 코팅 후 프린팅한 시편과 오일 코팅 없이 프린팅 한 시편의 기계적 강도를 비교 측정하였고 어닐링이 각각의 시편에 미치는 인장강도 변화를 측정하였다. 이는 오일 코팅된 필라멘트가 3D프린팅 적층물에 미치는 영향을 연구하기 위해서이다.

제안 방법

본 연구는 FDM 3D프린팅 재료로 사용되고 있는 PLA필라멘트를 Fig. 1의 자체 디자인 한 윤활공급 장치를 이용하여 오일을 필라멘트 표면에 코팅 후 프린팅한 시편과 오일 코팅 없이 프린팅 한 시편의 기계적 강도를 비교 측정하였고 어닐링이 각각의 시편에 미치는 인장강도 변화를 측정하였다. 이는 오일 코팅된 필라멘트가 3D프린팅 적층물에 미치는 영향을 연구하기 위해서이다.
4와 같이 프린팅 노즐에 의한 압출 시 필라멘트와 노즐사이의 마찰로 전단의 영향이 상대적으로 큰 노즐벽면에서의 용융된 필라멘트의 유동속도가 노즐의 중앙부 보다 느리기 때문에 발생하는 것이다. 이러한 FDM 3D프린팅의 구조적인 결함으로 발생하는 잔류응력을 줄이기 위하여 식물성 오일을 윤활유로 사용하여 노즐에서의 마찰을 줄이는 실험을 진행하였다.
인장시편이 충분한 열에너지를 흡수하여 폴리머체인을 움직이고 재배치하여 내부 메트릭스(matrix)를 다시 형성할 수 있는 온도와 시간 설정을 위하여 항온오븐 온도를 106℃로 설정하고 2시간에 동안 시편에 열을 가한 후 노냉(oven cooling, 항온오븐에서 상온으로 냉각)하여 어닐링 전 시편과의 기계적 특성을 비교하였다. 이는 어닐링에 오일 코팅필라멘트가 미치는 영향을 연구하기 위해서이다.

대상 데이터

본 연구는 3D프린팅 적층물의 기계적 특성 향상을 위한 연구로 다양한 FDM 3D프린팅 재료 중 가장 널리 사용되어지고 있는 PLA(Poly Lactic Acid)필라멘트를 프린팅 재료로 선정 하였다. PLA는 옥수수와 사탕수수로 만들어지는 생분해성 수지로, 제조과정에서 해로운 유기용매를 사용하지 않아 3D프린팅 시 유해물질의 발생이 거의 없으며, 열수축이나 균열이 상대적으로 적은 장점을 가지고 있어 프린팅 재료로 가장 널리 사용되고 있으나 약 58℃의 유리전이온도(Glass transition temperature, Tg)를 가지는 부서지기 쉬운 고분자이다.
본 연구는 FDM 3D프린팅 재료로 사용되고 있는 PLA필라멘트를 Fig. 1의 자체 디자인 한 윤활공급 장치를 이용하여 오일을 필라멘트 표면에 코팅 후 프린팅한 시편과 오일 코팅 없이 프린팅 한 시편의 기계적 강도를 비교 측정하였고 어닐링이 각각의 시편에 미치는 인장강도 변화를 측정하였다.
실험에 사용된 오일은 필라멘트가 고온 압출노즐에서 용융되어지는 온도에서도 윤활을 위하여 액체 상태의 분자구조를 유지할 수 있어야하기 때문에, 필라멘트의 용융점 보다 끓는점이 높은 아보카도(avocado), 카놀라유(canola), 포도씨유(grape seed)오일을 사용하였다. 각각의 끓는점은 271, 240, 22 0℃이다.

데이터처리

인장실험은 만능시험기를 사용하여 0.1mm/min속도로 시편 당 각각 5회의 인장실험을 실시하여 평균값을 채택하였다.

이론/모형

인장시편의 어닐링 온도 설정을 위한 결정화온도(crystallization temperature, Tc)를 시차주사열계량법(differential Scanning Calorimeter, DSC)을 이용하 여 측정 하였다. 측정 장비는 NETZSCH에서 제작한 모델명 DSC200F3이다^[12].

성능/효과

11의 실험 결과로 알 수 있었다^[9]. 그리고 오일 코팅 필라멘트로 프린팅 된 시편의 어닐링은 흐름 및 고온 압출 후 냉각에 의한 잔류응력을 모두 감소시켜 매우 큰 기계적 강도 향상이 일어남을 알 수 있었다.
이는 동일 재료, 동일 프린팅 조건에서도 최대 인장강도를 35%증가 시킬 수 있다는 것을 의미하는 것이다. 그리고 적층각도 45° 프린팅 시편의 인장강도도 최대 25% 향상 시킬 수 있었다.
오일 코팅 후 시편의 인장강도와 연신율의 변화는 노즐의 고온 압출과정에서 고온으로 용융되면서 넓어진 필라멘트 분자 간격사이로 오일 분자가 침투하여 필라멘트 고분자사이의 직접 끌어당기는 힘을 약화시켜 연신율을 증가시키고, 일부는 필라멘트 고분자간의 자유체적을 감소시키고 결정화도를 증가시켜 인장강도가 증가된 것으로 판단된다. 실험결과 윤활의 효과는 불포화지방산이 상대적으로 적은 포도씨유에서 크게 나타남을 알 수 있었다. 그리고 적층각도에 따라 기계적 특성이 다른 이유는 압출과정에서 나타나는 내부응력의 차이 때문이다.
실험결과 적층각도 0° 프린팅 시편의 인장강도는 50.3MPa 이나 오일 코팅 필라멘트로 프린팅 후 어닐링 과정을 거친 시편의 인장강도는 최대 67.8MPa을 나타내고 있다. 이는 동일 재료, 동일 프린팅 조건에서도 최대 인장강도를 35%증가 시킬 수 있다는 것을 의미하는 것이다.
이러한 연구결과로 FDM 3D프린팅에서 식물성 오일은 고온압출노즐에서 프린팅 적층 구조물의 기계적 성능을 향상시킬 수 있는 적합한 기능을 가지고 있으며, 어닐링도 기계적 특성 향상에 기여하고 있음을 알 수 있었다. 이것은 3D프린팅 적층물의 기계적 특성을 오일 윤활과 어닐링으로 조정할 수 있다는 것으로 이는 다양한 분야로 활용범위가 넓어지고 있는 3D프린팅의 강도향상 및 응용범위 확대를 위한 주요한 인자로 유용하게 사용될 것이다.
필라멘트 오일 코팅 프린팅으로 인장강도가 향상된 시편도 내부응력이 존재하며 이는 어닐링으로 결정구조를 더욱더 미세화 및 성장시켜 강도를 향상시킬 수 있음을 실험을 통하여 알 수 있었다.
필라멘트 오일코팅은 노즐벽면 부위의 마찰을 감소시켜 프린팅 적층물의 인장강도를 향상시킬 수 있음을 실험을 통하여 알 수 있었다. 이는 전단류 발생을 억제시켜 적층물의 내부응력을 감소시켰기 때문이다.

후속연구

본 논문을 기반으로 3D프린팅 적층물의 기계적 특성 향상을 위한 다양한 오일을 이용한 윤활 시편의 충격강도와 피로파괴 및 시편의 화학분석을 진행하여 산업용으로 적합한 기계적 특성을 지닌 3D프린팅 적층 구조물 개발에 대한 추가연구를 연구를 진행할 것이다.
이러한 연구결과로 FDM 3D프린팅에서 식물성 오일은 고온압출노즐에서 프린팅 적층 구조물의 기계적 성능을 향상시킬 수 있는 적합한 기능을 가지고 있으며, 어닐링도 기계적 특성 향상에 기여하고 있음을 알 수 있었다. 이것은 3D프린팅 적층물의 기계적 특성을 오일 윤활과 어닐링으로 조정할 수 있다는 것으로 이는 다양한 분야로 활용범위가 넓어지고 있는 3D프린팅의 강도향상 및 응용범위 확대를 위한 주요한 인자로 유용하게 사용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FDM(Fused Deposition Modeling) 3D프린터란?	다양한 적층방식 및 재료별로 분류되어지는 3D프린터 종류에서 활용범위가 넓고 대중적으로 보급되어지고 있는 FDM(Fused Deposition Modeling) 3D프린터는 플라스틱 필라멘트 가 고온의(filament) 프린팅 노즐을 지나면서 용융압출(press out extrude)과 동시에 급랭(rapid cooling)되는 적층공정의 반복으로 3차원 형상을 제작하는 장치이다[4-6].
	FDM 3D프린팅 재료로 플라스틱 소재를 사용했을 때의 단점은?	FDM 3D프린팅 재료로 사용되는 플라스틱 소재의 필라멘트는 열전도성(heat conduction quality)이 좋지 않은 플라스틱 특징으로 프린팅 시 고온노즐에서의 압출과 급랭으로 잔류응력(residual stress) 및 결정화도(degree of crystallinity)등의 차이를 발생시켜 비 이상적인 층간 결합과 기계적 강도를 저하시키는 원인을 제공하게 된다.
	PLA의 분자구조는 일부 결정질조직과 유리와 같은 무정형(amorphous) 형태인 반결정(semi-crystalline)구조를 가질 때 나타날 수 있는 문제점은?	PLA의 분자구조는 일부 결정질조직과 유리와 같은 무정형(amorphous) 형태인 반결정(semi-crystalline)구조를 가지고 있다[7]. 따라서 조직이 없는 PLA필라멘트는 3D프린팅 시 고온노즐의 압출과 급랭을 거치면서 큰 결정(grain)으로 재구성이 이루어져 결정 사이 선은 쉽게 분리될 수 있다. 그리고 프린팅 적층물이 냉각될 때 표면과 내부의 냉각속도 차이, 적층방향에 의한 분자배향(molecular orientation)으로 발생되는 내부응력 등 다양한 이유가 기계적 강도를 저하시키는 원인으로 예측되어진다[8].

참고문헌 (11)

Choi, J. W., Kim, H. C., "3D Printing Technologies A Review," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 3, pp. 1-8, 2015.
Jang, J., Cho, D. W., “A Review of the Fabrication of Soft Structures with Three-dimensional Printing Technology,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 6, pp. 142-148, 2015.
Lanzotti, A., Grasso, M., Staiano, G., Martorelli, M., “The impact of process parameters on mechanical properties of parts fabricated in PLA with an open-source 3-D printer,” Rapid Prototyping Journal, Vol. 21, No. 5, pp. 604-617, 2015.

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Hashima, K., Nishitsuji, S., Inoue, T., “Structure - properties of super-tough PLA alloy with excellent heat resistance,” Polymer, Vol. 51, No. 17, pp. 3934-3939, 2010.

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Kim, D. B., Lee, G. T., Lee, I. H., Cho, H. Y., “Finite Element Analysis for Fracture Criterion of PolyJet Materials,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 4, pp. 134-139, 2015.
Feijoo, J, L., Cabedo, L., Gimenez, E., Lagaron, J, M., Saura, J, J., “Development of amorphous PLA-montmorillonite nanocomposites,” Journal of Materials Science, Vol. 40, No. 7, pp. 1785-1788, 2005.

상세보기
Guevara-Morales, A., Figueroa-Lopez, U., "Residual stresses in injection molded products," Journal of Materials Science, Vol. 49, Issue 13, pp. 4399-4415, 2014.

상세보기
Jackson Jr, W. J., Caldwell, J., R., "Antiplasticization. II. Characteristics of antiplasticizers," Journal of Applied Polymer, Vol 11, Issue 2, pp 211-226, 1967.
Jacobsen, S., Fritz, H, G., "Plasticizing polylactide-the effect of different plasticizers on the mechanical properties," Polymer Engineering & Science, Vol. 39, Issue 7, pp. 1303-1310, 1999.

상세보기
Akay, M., Ozden, S., "The influence of residual stresses on the mechanical and thermal properties of injection moulded ABS copolymer," Journal of Materials science, Vol. 30, Issue 13, pp 3358-3368, 1995.

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Lee, S. K., Kim, Y. R., Kim, S. H., Kim, J. H., "Investigation of the Internal Stress Relaxation in FDM 3D Printing : Annealing Conditions", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 17, No. 4, pp. 130-136, 2018.

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