[논문]MJF 3D 프린팅 기반 폴리아미드-12 소재의 건축적 활용을 위한 기계적 특성 실험에 관한 연구 - 출력 방향에 따른 인장 특성 변화를 중심으로 -

박상재; 유승규; 김문환; 김재준

doi:10.6106/kjcem.2020.21.6.095

MJF 3D 프린팅 기반 폴리아미드-12 소재의 건축적 활용을 위한 기계적 특성 실험에 관한 연구 - 출력 방향에 따른 인장 특성 변화를 중심으로 -
A Study on the Mechanical Properties Experiment for Architectural Application of Polyamide-12 MJF 3D Printing Material - Focusing on the Change in Tensile Properties According to the 3D Printing Orientation - 원문보기

한국건설관리학회논문집 = Korean journal of construction engineering and management, v.21 no.6, 2020년, pp.95 - 102

박상재 (한양대학교 건축공학과) , 유승규 (HS하이테크 건설3D프린팅연구소) , 김문환 (한양대학교 건축공학과) , 김재준 (한양대학교 건축공학과)

초록
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3D 프린팅 기술은 4차 산업 혁명의 도래와 함께 다양한 산업 분야에서 주목받고 있다. 특히 정밀한 부품을 제작하는 기계, 항공 등의 산업에서 그 활용 사례가 증가하고 있으며 건축 산업 역시 3D 프린팅 기술을 활용한 사례가 늘어나고 있는 추세이다. 현재 다양한 3D 프린팅용 소재가 개발 및 활용되고 잇지만, 3D 프린팅 제조는 사출 및 성형과 같은 기존 제조 방법과 비교하였을 때 제품의 기계적 특성이 달라질 가능성이 있다는 문제점이 있다. 본 논문은 3D 프린팅용 플라스틱 소재 중 널리 활용되고 있는 PA12 소재의 제품 제작 시 출력 방향이 제품의 기계적 특성에 미치는 영향을 검증하고 소재에 대한 이해를 확장시켜 건축 부자재 및 구조재로서의 활용 등의 실무적인 활용에 대한 기초 자료를 제공한다. 실험은 출력 방향의 영향을 확인하기 위해 0°, 30°, 45°, 60°, 90° 방향의 제품을 출력하였으며 인장 강도 실험을 통하여 인장 강도, 항복 강도, 연신율을 비교하였다. 실험 결과, 0° 방향으로 출력한 제품이 전반적으로 가장 낮은 강도와 연신율을 보였으며 45° 방향으로 출력한 제품이 가장 높은 수치를 보였다. 또한 전반적으로 0°부터 45° 사이에서는 인장강도와 항복 강도가 상승하였으며, 45°부터 90° 에서는 다소 감소하는 경향을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The number of use cases in machinery, aviation, and other industries that manufacture precise parts is increasing, and the construction industry is also increasingly using 3D printing technology. Although various materials for 3D printing are currently being developed and utilized, 3D printing manufacturing has a problem that the mechanical properties of the product may change when compared with conventional manufacturing methods such as injection and molding. This paper verifies the effect of the printing orientation on the mechanical properties of the product in the manufacture of PA12 material and providing basic data on the practical use of the materials as building subsidiary materials and structural materials. The results of the experiment showed that the product printed in the orientation of 0° showed the lowest overall strength and elongation rate, and the product printed in the orientation of 45° showed the highest figure. Overall, tensile strength and yield strength increased between 0° and 45°, and tended to decrease somewhat at 45° to 90°.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Agent penetration direction and layer separation
그림 Fig. 2. Agent application amount per cross-sectional area according to printing orientation
그림 Fig. 3. Schematic diagram of the MJF Process (Heather O' Connor et al., 2018)
그림 Fig. 4. Jet Fusion 4200 3D printer (HP MJF website, 2017)
그림 Fig. 5. Drawing of ASTM D638 type V (ASTM, 2017)
그림 Fig. 6. Printing orientation of specimens
표 Table 1. Technical specification of HP Jet Fusion 4200
표 Table 2. Mechanical properties of PA12
표 Table 3. Dimension of ASTM D638 Type V (Unit : mm)
그림 Fig. 7. ASTM D638 Type V Specimens
그림 Fig. 8. Trimmed average tensile strength of specimens according to orientation
표 Table 4. Tensile Strength and trimmed average tensile strength of all specimens
그림 Fig. 9. Trimmed average yield strength of specimens according to orientation
그림 Fig. 10. Trimmed average elongation percentage of specimens according to orientation
표 Table 5. Yield strength and trimmed average yield strength of all specimens
표 Table 6. Elongation percentage and trimmed average elongation percentage of all specimens

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 앞서 제기된 출력 방향에 따른 인장 특성 변화를 분석함으로써 출력 방향이 소재의 기계적 특성에 미치는 영향이 존재하는지를 실험을 통해 검증하고자 한다. 본 연구의 실험을 통해 검증된 결과는 PA12 소재에 대한 이해를 확장시키며, 이 소재를 건축 부자재 및 구조재로서 활용할 때, 기계적 특성을 향상 또는 보완시키는 출력방향을 도출할 수 있다.
본 연구는 3D프린팅용 PA12 소재의 출력 방향이 기계적 특성에 미치는 영향을 인장 특성 중심으로 분석하였다. 2장의 이론적 배경에서 MJF 방식의 작동 원리 및 다른 출력 방식과의 차이점을 분석하였고 선행 연구 고찰을 통해 PA12 소재의 출력 방식, 출력 방향, 시험 온도, 소재 보강이 기계적 특성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
본 연구는 인장 강도 실험을 통해 PA12 소재의 출력 방향에 따른 인장 특성 변화를 분석하고 출력 방향이 PA12 소재의 기계적 특성에 미치는 영향이 존재하는지 검증하고자 하였다. 인장 시험 결과 중 인장 강도, 항복 강도, 연신율을 통해 출력 방향에 따른 기계적 특성 변화를 파악하였다.
본 절에서는 출력방향에 따른 PA12 소재의 기계적 특성 변화를 파악하기 위한 실험 조건을 설명하였다. 먼저 실험에 사용된 장비는 아래 [Fig.

제안 방법

본 연구는 3D프린팅용 PA12 소재의 출력 방향이 기계적 특성에 미치는 영향을 인장 특성 중심으로 분석하였다. 2장의 이론적 배경에서 MJF 방식의 작동 원리 및 다른 출력 방식과의 차이점을 분석하였고 선행 연구 고찰을 통해 PA12 소재의 출력 방식, 출력 방향, 시험 온도, 소재 보강이 기계적 특성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 3장에서는 2장의 고찰 내용을 바탕으로 제품 출력 방향을 다양하게 구분하여 설정하였고 인장 강도 시험 결과를 인장 강도, 항복 강도, 연신율을 중심으로 분석하였다.
2장의 이론적 배경에서 MJF 방식의 작동 원리 및 다른 출력 방식과의 차이점을 분석하였고 선행 연구 고찰을 통해 PA12 소재의 출력 방식, 출력 방향, 시험 온도, 소재 보강이 기계적 특성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 3장에서는 2장의 고찰 내용을 바탕으로 제품 출력 방향을 다양하게 구분하여 설정하였고 인장 강도 시험 결과를 인장 강도, 항복 강도, 연신율을 중심으로 분석하였다. 4장에서는 3장의 실험 결과 값을 통해 파악한 출력 방향에 따른 인장 특성의 변화를 정리하고 이를 통하여 PA12 소재의 건설 분야 활용 가능성에 대하여 논하였다.
HP 社의 PA12 분말로 제작된 6가지 방향의 인장시편을 대상으로 대진엔지니어링 社의 DJU-100-20KNX(최대하중: 20kN) 시험기를 사용하여 인장강도 시험을 진행하였다. 시험 환경은 시험온도, 시험습도 그리고 인장속도를 제어하였다.
HP 社의 PA12 분말로 제작된 6가지 방향의 인장시편을 대상으로 대진엔지니어링 社의 DJU-100-20KNX(최대하중: 20kN) 시험기를 사용하여 인장강도 시험을 진행하였다. 시험 환경은 시험온도, 시험습도 그리고 인장속도를 제어하였다.
시험온도는 건축물 또는 구조물이 위치하는 보편적인 외부환경과 동일 시 하기 위하여 24℃로 통일하였으며, 시험 습도는 30%로 통일하여 진행하였다. 인장 시험 진행속도는 10mm/min로 진행하였으며 각 방향 당 5개의 시편에 대하여 실험한 후 최댓값과 최솟값을 제외한 나머지 3개 실험값의 평균을 비교하였다.
본 연구는 인장 강도 실험을 통해 PA12 소재의 출력 방향에 따른 인장 특성 변화를 분석하고 출력 방향이 PA12 소재의 기계적 특성에 미치는 영향이 존재하는지 검증하고자 하였다. 인장 시험 결과 중 인장 강도, 항복 강도, 연신율을 통해 출력 방향에 따른 기계적 특성 변화를 파악하였다. 30개의 시편 중 0°(X) 시편 한 개(47.

대상 데이터

각 특성의 수치는 출력 방향에 따라 구분되어 있으며 대체로 X, Y, Z축 방향 모두 값이 큰 차이를 보이지 않는다. HP 社는 PA12의 기계적 특성 측정을 위해 ASTM D638 TypeⅠ또는 Type V 규격의 시편을 사용하였는데 인장 특성은 모두 Type V로 진행하였다. [Table 3]은 해당 인장시편의 치수를 나타내며 [Fig.
실험에 활용된 시편은 각각 0°(X), 0°(Y), 90°(Z)와 30°, 45°, 60°로 총 6개의 출력 방향을 기준으로 하였으며, 각 출력 방향별로 5개의 시편을 제작하여 총 30개의 인장실험 시편을 검증에 활용하였다.
용된 소재는 HP社에서 공급하는 PA12와 퓨징 에이전트를 사용하였다. HP社가 배포한 PA12 소재의 기계적 특성은 [Table 2]와 같다.

데이터처리

시험온도는 건축물 또는 구조물이 위치하는 보편적인 외부환경과 동일 시 하기 위하여 24℃로 통일하였으며, 시험 습도는 30%로 통일하여 진행하였다. 인장 시험 진행속도는 10mm/min로 진행하였으며 각 방향 당 5개의 시편에 대하여 실험한 후 최댓값과 최솟값을 제외한 나머지 3개 실험값의 평균을 비교하였다.

성능/효과

0° 시편의 경우 X축 방향 시편과 Y축 방향 시편이 약 7.1%의 차이로 비교적 큰 차이를 보였으며 0°(X) 부터 60°까지는 값이 줄어들다가 90°(Z)에서 크게 증가하는 양상을 보였다.
0°(X) 시편과 0°(Y) 시편은 동일한 각도로 출력되었지만 약 2.49Mpa의 강도 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
30개의 시편 중 0°(X) 시편 한 개(47.66Mpa)를 제외하고 모든 시편이 HP社 가 제시한 기준 사양을 만족하는 수치를 보였다.
가장 낮은 평균 인장 강도를 보인 0°(X) 시편과 가장 높은 평균 인장 강도를 보인 45° 시편은 약 9.22Mpa의 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
가장 낮은 평균 항복 강도를 보인 0°(X) 시편과 가장 높은 45° 시편은 약 70.38Mpa의 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
그 이유는 글라스 비드가 보강되면서, 고분자 소재와 글라스 비드 간의 접합이 영향을 주었을 것이라는 주장이 있다. 또한 인장시험시 분위기 온도가 증가함에 따라 두 소재 모두 탄성률 및 인장강도가 감소하는 것을 확인하였다. 이 연구는 SLS 방식을 이용한 연구결과에 한정되어 MJF 방식을 비롯한 다른 출력 방식들의 특성을 파악하기에는 한계가 존재한다.
먼저, 제품 내에서 구조적 성능이 요구되는 부위 또는 방향이 특정되면, 이를 기반으로 3D 프린팅 단계에서 출력방향을 조절하여 기계적 특성을 향상시키는 조치가 가능하다. 특히 다른 곳에 비하여 높은 인장강도를 요구하는 경우 해당부위가 장비 내 출력각도에 45°로 평행하게 배치할 경우 강도가 향상되는 결과를 보일 수 있다.
본 연구결과 MJF 방식으로 제작한 PA12 소재는 출력 방향에 따라 기계적 특성에 차이가 존재 할 수 있음을 확인하였다. 이와 같은 결과는 다음과 같은 시사점을 갖는다.
따라서 본 연구는 앞서 제기된 출력 방향에 따른 인장 특성 변화를 분석함으로써 출력 방향이 소재의 기계적 특성에 미치는 영향이 존재하는지를 실험을 통해 검증하고자 한다. 본 연구의 실험을 통해 검증된 결과는 PA12 소재에 대한 이해를 확장시키며, 이 소재를 건축 부자재 및 구조재로서 활용할 때, 기계적 특성을 향상 또는 보완시키는 출력방향을 도출할 수 있다. 더하여 3D 프린팅 제품의 설계, 제품 성능의 향상을 위한 출력방향 설정 등 실무적인 활용에 중요한 기초자료로 활용될 수 있다.
연구 결과, 출력 방향이 90°에 가까울수록 두 소재 모두 탄성률이 감소하는 것을 확인하였으며, 글라스비드 보강 PA12가 일반 PA12에 비하여 출력 방향에 대한 의존성이 더 명확하다고 밝혔다.
연구 결과에 따르면 MJF 방식은 90°> 0°(Y) > 0°(X) 순서의 인장강도를 보였으며 탄성 강도 역시 동일한 순서로 높게 나타났다.
연신율은 실험 결과 90°(Z) 시편의 연신율이 가장 높은 것으로 측정되었다.
전체적으로 인장 강도는 출력 방향에 따라 0°에서 45° 사이에서는 증가하는 경향을 보였으며, 45° 이상부터 소폭 감소하는 경향을 보였다.
평균 인장 강도는 출력 방향에 따라 0°(X)부터 45°까지는 점차 증가하는 추세를 보였으며 45° 이상부터는 점차 감소하는 추세를 보였다.
평균 항복 강도 역시 0°(X) 시편과 0°(Y) 시편 사이에 약 17.04Mpa의 차이가 발생하는 것을 확인하였다.
평균 항복 강도는 출력 방향에 따라 0°부터 45°까지 증가하는 경향을 보였으며 45°이후로 소폭 감소하며 출력 방향에 따른 값의 변화가 평균 인장 강도와 거의 유사한 것을 확인하였다.

후속연구

본 연구의 실험을 통해 검증된 결과는 PA12 소재에 대한 이해를 확장시키며, 이 소재를 건축 부자재 및 구조재로서 활용할 때, 기계적 특성을 향상 또는 보완시키는 출력방향을 도출할 수 있다. 더하여 3D 프린팅 제품의 설계, 제품 성능의 향상을 위한 출력방향 설정 등 실무적인 활용에 중요한 기초자료로 활용될 수 있다.
연구 결과에 따르면 MJF 방식은 90°> 0°(Y) > 0°(X) 순서의 인장강도를 보였으며 탄성 강도 역시 동일한 순서로 높게 나타났다. 본 연구는 출력방향 이 축 방향으로 한정되어 있는데 출력하고자 하는 결과물의 형태와 크기에 따라 출력 방향이 변화하는 3D 프린팅의 특성 상 출력 방향에 따른 강도 변화의 추이를 파악하기에는 한계가 있으며 단일 레이어가 반복 적층되는 MJF 방식은 출력 방향에 따라 레이어의 적층 형상 역시 변화하기 때문에 보다 다양한 출력 방향에 대한 연구 결과가 필요하다.
또한 인장시험시 분위기 온도가 증가함에 따라 두 소재 모두 탄성률 및 인장강도가 감소하는 것을 확인하였다. 이 연구는 SLS 방식을 이용한 연구결과에 한정되어 MJF 방식을 비롯한 다른 출력 방식들의 특성을 파악하기에는 한계가 존재한다.
지금까지는 높은 설계 자유도를 보장하고 다양한 재료를 사용할 수 있는 MJF 출력방식의 장점에도 불구하고 FDM 출력 방식이 3D 프린팅의 건축적 활용의 주를 이루어 왔지만 출력 방향의 조절에 따라 기둥 부재, 비정형 외장 파사드 부재 등 복잡한 응력을 받는 건축 부재를 보다 용이하게 제작할 수 있기 때문에 본 연구 결과는 MJF 방식의 건축적 활용 확장에 대한 기초 자료로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구결과는 기계적 특성 중 인장강도, 항복강도, 연신율에 대한 실험 결과로 한정하였기 때문에 압축강도, 굽힘 강도 등 부가적인 물성 평가에 대한 해석에 어려움이 있다. 추후 실험연계를 통해 보다 종합적인 관점에서 기계적 특성 변화에 대한 실험데이터를 수집 및 보완한 3D 프린팅 설계 프로세스 개발이 필요하다.
더하여, 한정된 실험방법으로 인해 연구 배경에서 제기된 소결과정에서의 미세한 온도 분포, 출력된 레이어와 새로 도포된 레이어간의 온도 차이로 인한 과소 냉각 등의 부가효과들을 명확하게 나누어 설명할 수 없었다. 향후 3D 프린팅 장비 및 소재에 대한 미세한 열에너지 측정 및 분산된 실험 시편 배치를 통해 보다 구체적인 영향관계 도출이 필요하다고 볼 수 있다.

참고문헌 (11)

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Garrett Craft, Justin Nussbaum, Nathan Crane, J.P. Harmon (2018). "Impact of extended sintering times on mechanical properties in PA-12 parts produced by powderbed fusion processes." Additive Manufacturing, 22, pp. 800-806.

상세보기
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Montero, M., Roundy, S., Odell, D., Ahn, S.H., and Wright, P.K. (2001). "Material characterization of fused deposition modeling (FDM) ABS by designed experiments." Society of Manufacturing Engineers, 10 (13552540210441166), pp.1-21.
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상세보기
Song, J.Y., and Yoo, H.Y. (2018). "A Case Study of International Architecture Using 3D Printer." Proceedings of the Korean Institute of Architecture Conference, 38(2), pp. 601-604.
Yoo, S.K. (2020). "Case Study on Freeform Structure by Using 3D Printing Technologies." Korean Journal of Concrete, 32(4), pp. 56-60.
Zhiyao Xu, Yue Wang, Dingdi Wu, K. Prem Ananth, Jiaming Bai (2019). "The process and performance comparison of polyamide 12 manufactured by multi jet fusion and selective laser sintering." Journal of Manufacturing Processes, 47, pp. 419-426.

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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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