[논문]3D 프린팅 된 탄소 단섬유강화 복합재료의 후처리 효과가 재료의 기계적 성능에 미치는 영향

차가락; 장승환

doi:10.7234/composres.2022.35.6.463

3D 프린팅 된 탄소 단섬유강화 복합재료의 후처리 효과가 재료의 기계적 성능에 미치는 영향
Effect of Post-processing on Mechanical Properties of 3D Printed Carbon Chopped Fiber Reinforced Composites 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.6, 2022년, pp.463 - 468

차가락 (School of Mechanical Engineering, Chung-Ang University) , 장승환 (School of Mechanical Engineering, Chung-Ang University)

초록
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상용 FFF (Fused filament fabrication) 3D 프린터로 제조된 탄소 단섬유강화 나일론 복합재료 구조의 내부 채움 패턴(Infill pattern)의 높은 공극률은 프린팅 된 구조의 기계적 성능을 결정한다. 본 연구는 프린팅 된 구조의 내부 채움 패턴의 공극률을 줄여서 기계적 특성을 개선하기 위해 사각형 내부 채움 구조로 제작된 Onyx 복합 재료 시편의 열압밀 조건에 따른 시편의 기계적 성능을 실험적으로 평가하고, 가장 우수한 기계적 물성을 유도하는 열압밀 공정 조건(145℃, 4 MPa, 12 min)을 찾았다. 현미경 관찰결과 열압밀 후처리를 겪은 복합재료 시편의 내부 채움 공극률이 효과적으로 줄어듦을 확인하였다. 후처리된 시편의 기계적 성능을 확인하기 위해, 후처리를 하지 않은 대조군 시편과, 후처리 후 밀도와 치수를 동일하게 설정하여 출력한 시편과 함께 인장시험 및 3점 굽힘시험을 수행하여 기계적 물성을 비교한 결과 열압밀 후처리를 수행한 경우 기계적 물성이 효과적으로 개선되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high porosity of the infill pattern of carbon chopped fiber-reinforced Nylon composite structures fabricated by the fused filament fabrication (FFF) type 3D printers determines the mechanical performance of the printed structures. This study experimentally evaluated the mechanical performance of Onyx composite specimens fabricated with a rectangular infill structure under the hot-pressing condition to improve the mechanical properties by reducing the porosity of the infill pattern of the printed structure, and evaluated the best mechanical performance. The hot-pressing conditions (145℃, 4 MPa, 12 min) that induce the most appropriate mechanical properties were found. As a result of microscopic observation, it was confirmed that the infill porosity of the composite specimens subjected to post hot-pressing treatment was effectively reduced. In order to confirm the mechanical performance of the post-treated specimen, a tensile test and a three-point bending test were performed with a control specimen without post-treatment and a specimen printed with the same density and dimensions after post-treatment to evaluate the mechanical properties. As a result of comparison, it was confirmed that the mechanical properties were effectively improved when the post-treatment of hot-pressing was performed.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. 3D Printing details; 3D printed specimens and the rectangular infill pattern
표 Table 1. Infill patterns for the printed structures
그림 Fig. 2. Hot-pressing process; (a) the mold for forming of specimens, (b) forming cycle
그림 Fig. 3. Microscopic observation of the 3D printed specimens; (a) before and (b) after the post treatment (Hot-pressing)
표 Table 2. Material properties of Onyx filaments[26]
그림 Fig. 4. Stress-strain relationships for the tensile test
그림 Fig. 5. 3-point bending test result

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 시편의 후처리에 의한 내부 채움 방식의 변화 및 기계적 성능을 평가하기 위해 3D 프린팅 재료의 기계적 특성 향상에 적합한 열압밀 온도와 압력을 찾기 위해 다양한 조건으로 후처리를 진행하였다. 성형조건에 따른 시편의 미세 구조의 변화를 관찰하고, 그에 따른 시편의 기계적 성능을 실험적으로 평가하여, 적절한 후처리를 위한 성형 온도와 압력 등의 공정변수를 제시하였다.
본 연구에서는 3D 프린팅 된 성형물의 열압밀 후처리가 구조물의 기계적 성능 향상에 미치는 영향을 확인하기 위해 상용 FFF 방식 3D 프린터를 사용하여 탄소 단섬유강화 복합재료 필라멘트인 Onyx (Carbon fiber/Nylon composites) 필라멘트로 시편을 프린팅 하였다. 필라멘트 재료의 열특성을 고려하여 프린팅한 시편을 145℃, 4 MPa, 12분의 열압밀 조건으로 후처리 하였다.

제안 방법

열압밀을 통해 얻은 시편의 내부 채움 구조 및 섬유 변화를 관찰하기 위해 시편의 좌우 길이의 1/4에 해당하는 부분과 중앙부를 절단하여 광학 현미경(BX53MTRF, OLYMPUS, Japan)으로 단면을 관찰하였다. 3D 프린터로 프린팅 한 시편과 열압밀 후처리된 시편의 섬유 배열 및 밀도 변화를 비교하기 위해 3D 프린터로 제조한 시편 중 후처리하기 전 시편을 동일한 위치에서 절단하여 단면의 내부 섬유를 관찰하였다(Fig. 3 참조).
본 연구는 시편의 후처리에 의한 내부 채움 방식의 변화 및 기계적 성능을 평가하기 위해 3D 프린팅 재료의 기계적 특성 향상에 적합한 열압밀 온도와 압력을 찾기 위해 다양한 조건으로 후처리를 진행하였다. 성형조건에 따른 시편의 미세 구조의 변화를 관찰하고, 그에 따른 시편의 기계적 성능을 실험적으로 평가하여, 적절한 후처리를 위한 성형 온도와 압력 등의 공정변수를 제시하였다.
열압밀을 통해 얻은 시편의 내부 채움 구조 및 섬유 변화를 관찰하기 위해 시편의 좌우 길이의 1/4에 해당하는 부분과 중앙부를 절단하여 광학 현미경(BX53MTRF, OLYMPUS, Japan)으로 단면을 관찰하였다. 3D 프린터로 프린팅 한 시편과 열압밀 후처리된 시편의 섬유 배열 및 밀도 변화를 비교하기 위해 3D 프린터로 제조한 시편 중 후처리하기 전 시편을 동일한 위치에서 절단하여 단면의 내부 섬유를 관찰하였다(Fig.
프린팅 된 시편의 후처리를 통해 두께가 3 mm로 감소하고, 내부 채움 밀도가 62%로 증가된 시편의 기계적 물성의 변화를 확인하기 위해 인장시험을 수행하였다. 후처리 공정이 시편의 기계적 성능에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 내부 채움 밀도가 62%이고 시편의 두께가 3 mm인 대조군 시편을 3D 프린터로 제조하여 비교실험을 수행하였다.
프린팅 된 시편의 후처리를 통해 두께가 3 mm로 감소하고, 내부 채움 밀도가 62%로 증가된 시편의 기계적 물성의 변화를 확인하기 위해 인장시험을 수행하였다. 후처리 공정이 시편의 기계적 성능에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 내부 채움 밀도가 62%이고 시편의 두께가 3 mm인 대조군 시편을 3D 프린터로 제조하여 비교실험을 수행하였다. 인장시험은 ASTM D638[27]에서 규정된 절차에 따라 만능재료 시험기 (MTS810, USA)를 사용하여 인장 속도 2 mm/min로 수행하였으며, 준비된 시편의 종류는 단순 3D 프린팅 된 시편(두께 4 mm, 내부 채움 밀도 46%), 후처리 시편 및 대조 시편의 총 세 가지이다.

대상 데이터

따라서, 본 연구에서는 탄소 단섬유/나일론 복합재료 필라멘트 (Onyx)를 이용하여 사각형 내부 채움 방식으로 길이 120 mm, 너비 12 mm, 두께 4 mm의 평판 시편을 출력 하였다(Fig. 1 참조).

이론/모형

이를 확인하기 위해 3점 굽힘시험을 수행하였다. 굽힘시험은 ASTM D790[28] 절차에 따라 만능 재료시험기(Instron 5565A,USA)를 이용하여 세 가지 시편에 대해 수행하였으며, 각 시편 유형에 따라 세 번의 실험을 반복하였다. 다음 제안된 식을 통해 굽힘시험 결과를 정리하였다.
본 연구에 사용된 시편은 FFF 방식의 3D 프린터(Markforged, MarkTwo, USA)를 이용하여 제조하였다. 시편 제조에 사용한 3D 프린터의 출력방식에 따라 탄소 단섬유 강화 복합재료 구조물을 출력하기 위해 나일론에 탄소 단섬유(직경: 5~10 µm, 길이: 50~250 µm)가 함유된 Onyx 필라멘트로 구조층을 출력하였으며, 그 과정에서 세 가지 내부 채움(Triangular fill, Hexagonal fill, Rectangular fill) 방식을 사용할 수 있다(Table 1 참조).
후처리 공정이 시편의 기계적 성능에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 내부 채움 밀도가 62%이고 시편의 두께가 3 mm인 대조군 시편을 3D 프린터로 제조하여 비교실험을 수행하였다. 인장시험은 ASTM D638[27]에서 규정된 절차에 따라 만능재료 시험기 (MTS810, USA)를 사용하여 인장 속도 2 mm/min로 수행하였으며, 준비된 시편의 종류는 단순 3D 프린팅 된 시편(두께 4 mm, 내부 채움 밀도 46%), 후처리 시편 및 대조 시편의 총 세 가지이다. 세 가지 시편은 동일한 조건 하에서 각각 세 번씩 시험을 수행하였다.

성능/효과

굽힘시험 결과는 Fig. 5에서 보이는 바와 같이, 단순 3D 프린팅 된 시편의 굴곡 탄성률(Flexural Modulus)은 0.849 GPa(표준편차 0.099)로 비교적 낮은 수준이었으나, 후처리 된 시편은 3.609 GPa(표준편차 0.136)로 후처리를 하지 않은 시편에 비해 425% 증가함을 알 수 있었다.
후처리 후 시편의 단면을 현미경 관찰한 결과 시편 내부의 층간 공극률이 줄어든 것을 확인하였다. 더불어, 단순 3D 프린팅 시편, 후처리 시편, 대조시편에 대해 인장 및 3점 굽힘시험을 수행하여 후처리 된 시편의 기계적 성능이 가장 우수하다는 것을 확인하였다. 실험 결과, 후처리 공정을 통해 단순 3D 프린팅 시편 대비 영계수 206%, 인장강도 127%, 굽힘 강성 425%가 향상됨을 알 수 있었다.
본 연구를 통해 간단한 열압밀 후처리는 3D 프린팅 시편의 기계적 성능을 개선시킬 수 있으며, 특히 구조의 강성 개선에 매우 큰 효과가 있음을 확인하였다. 이러한 후처리 기술은 복잡한 형상을 가진 구조물의 프린팅 기술의 효용성을 강화하여, 기계적 성능이 우수한 기능성 구조물 제작에 기여할 것으로 기대된다.
068)으로써, 단순 3D 프린팅 된 시편 보다 191% 증가되었음을 알 수 있었다. 세 가지 시편의 인장시험과 3점 굽힘시험의 결과 분석을 통해 간단한 열압밀 후처리는 층간의 공극률을 줄여서, 결과적으로 시편의 기계적 성능을 개선할 수 있음을 확인하였다.
더불어, 단순 3D 프린팅 시편, 후처리 시편, 대조시편에 대해 인장 및 3점 굽힘시험을 수행하여 후처리 된 시편의 기계적 성능이 가장 우수하다는 것을 확인하였다. 실험 결과, 후처리 공정을 통해 단순 3D 프린팅 시편 대비 영계수 206%, 인장강도 127%, 굽힘 강성 425%가 향상됨을 알 수 있었다. 열압밀 후처리는 구조의 내부 층간의 공극률을 줄임으로써 구조의 기계적 성능을 향상시키는 것으로 파악된다.
후처리 시편과 동일한 두께 및 밀도로 출력한 대조 시편의 굴곡 탄성률는 1.618 GPa(표준편차 0.068)으로써, 단순 3D 프린팅 된 시편 보다 191% 증가되었음을 알 수 있었다. 세 가지 시편의 인장시험과 3점 굽힘시험의 결과 분석을 통해 간단한 열압밀 후처리는 층간의 공극률을 줄여서, 결과적으로 시편의 기계적 성능을 개선할 수 있음을 확인하였다.
대조 시편의 밀도는 후처리 된 시편과 동일하지만 공극률이 커서 후처리 된 시편보다 탄성계수가 낮았지만, 후처리 공정 중 시편에 가해진 성형압력에 의해 발생한 시편 내부 미세구조의 불균일한 변화가 재료 강도에 부정적인 영향을 끼진 것으로 판단된다. 후처리 영향을 확인하기 위한 세 가지 시편 중 후처리 된 시편의 탄성 계수가 가장 높았으며, 따라서 3D 프린팅 된 시편의 층간공극률을 낮추면 시편의 기계적 성능을 효과적으로 개선할 수 있다는 것을 실험적으로 확인하였다.
필라멘트 재료의 열특성을 고려하여 프린팅한 시편을 145℃, 4 MPa, 12분의 열압밀 조건으로 후처리 하였다. 후처리 후 시편의 단면을 현미경 관찰한 결과 시편 내부의 층간 공극률이 줄어든 것을 확인하였다. 더불어, 단순 3D 프린팅 시편, 후처리 시편, 대조시편에 대해 인장 및 3점 굽힘시험을 수행하여 후처리 된 시편의 기계적 성능이 가장 우수하다는 것을 확인하였다.

후속연구

이러한 후처리 기술은 복잡한 형상을 가진 구조물의 프린팅 기술의 효용성을 강화하여, 기계적 성능이 우수한 기능성 구조물 제작에 기여할 것으로 기대된다. 이 연구 결과를 바탕으로, 골절 치료용 고정판과 같이 스크루 홀을 포함하는 복잡한 형상을 가지는 구조를 3D 프린팅과 후처리 공정으로 기계적 성능을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구를 통해 간단한 열압밀 후처리는 3D 프린팅 시편의 기계적 성능을 개선시킬 수 있으며, 특히 구조의 강성 개선에 매우 큰 효과가 있음을 확인하였다. 이러한 후처리 기술은 복잡한 형상을 가진 구조물의 프린팅 기술의 효용성을 강화하여, 기계적 성능이 우수한 기능성 구조물 제작에 기여할 것으로 기대된다. 이 연구 결과를 바탕으로, 골절 치료용 고정판과 같이 스크루 홀을 포함하는 복잡한 형상을 가지는 구조를 3D 프린팅과 후처리 공정으로 기계적 성능을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (28)

Thompson, M.K., Moroni, G., Vaneker, T., Fadel, G., Campbell,？R.I., Gibson, I. Bernard, A., Schulz, J., Graf, P., Ahuja, B., and？Martina, F., "Design for Additive Manufacturing: Trends,？Opportunities, Considerations, and Constraints," Cirp Annals,？Vol. 65, Issue 2, 2016, pp. 737-760.

상세보기
Dizon, J.R.C., Espera Jr, A.H., Chen, Q., and Advincula, R.C.,？"Mechanical Characterization of 3D-printed Polymers," Additive Manufacturing, Vol. 20, 2018, pp. 44-67.

상세보기
Lu, B., Li, D., and Tian, X., "Development Trends in Additive？Manufacturing and 3D Printing," Engineering, Vol. 1, Issue 1,？2015, pp. 85-89.

상세보기
De Leon, A.C., Chen, Q., Palaganas, N.B., Palaganas, J.O.,？Manapat, J., and Advincula, R.C., "High Performance Polymer？Nanocomposites for Additive Manufacturing Applications,"？Reactive and Functional Polymers, Vol. 103, 2016, pp. 141-155.

상세보기
Baek, U.G., Nam, G.B., Roh, J.S., Park, S.E., and Roh, J.U., "A？Study on the Improvement of Bending Characteristics of 3D？Printed Thermoplastic Structures Reinforced at the Lateral？Surface using Continuous Fiber Reinforced Thermosetting？Composites," Composites Research, Vol. 34, No. 2, 2021, pp. 136-142.
Wang, P., Zou, B., and Ding, S., Shi, Z., Ma, Y., and Yao, P.,？"Preparation of Short CF/GF Reinforced PEEK Composite Filaments and Their Comprehensive Properties Evaluation for？FDM-3D Printing," Composites Part B: Engineering, Vol. 198,？2020, 108175.
Manapat, J.Z., Mangadlao, J.D., Tiu, B.D.B., Tritchler, G.C., and？Advincula, R.C., "High-strength Stereolithographic 3D Printed？Nanocomposites: Graphene Oxide Metastability" ACS Applied？Materials & Interfaces, Vol. 9, Issue 11, 2017, pp. 10085-10093.

상세보기
Advincula, R.C., Dizon, J.R.C., Chen, Q., Niu, I., Chung, J.,？Kilpatrick L., and Newman, R., "Additive Manufacturing for？COVID-19: Devices, Materials, Prospects, and Challenges,"？MRS Communications, Vol. 10, Issue 3, 2020, pp. 413-427.

상세보기
Oh, E.Y., Lee, J.W., and Suhr, J.H., "3D Printable Composite？Materials: A Review and Prospective" Composites Research, Vol.？31, No. 5, 2018, pp. 192-201.
Kabir, S.M.F., Mathur, K., and Seyam, A.F.M., "The Road to？Improved Fiber-reinforced 3D Printing Technology," Technologies, Vol. 8, Issue 4, 2020, pp. 51.

상세보기
Saeed, K., McIlhagger, A., Harkin-Jones, E., McGarrigle, C.,？Dizon, D., Shar, M.A., McMillan, A., and Archer, E., "Characterization of Continuous Carbon Fibre Reinforced 3D Printed？Polymer Composites with Varying Fibre Volume Fractions,"？Composite Structures, Vol. 282, 2022, pp. 115033.

상세보기
Fernandez-Vicente, M., Canyada, M., and Conejero, A., "Identifying Limitations for Design for Manufacturing with Desktop？FFF 3D Printers," International Journal of Rapid Manufacturing,？Vol. 5, Issue 1, 2015, pp. 116-128.
Somireddy, M., Singh, C.V., and Czekanski, A., "Analysis of the？Material Behavior of 3D Printed Laminates via FFF," Experimental Mechanics, Vol. 59, Issue 6, 2019, pp. 871-881.

상세보기
Elkaseer, A., Schneider, S., and Scholz, S.G., "Experiment-based？Process Modeling and Optimization for High-quality and？Resource-efficient FFF 3D Printing," Applied Sciences, Vol. 10,？Issue. 8, 2020, pp. 2899.
Kubota, M., Hayakawa, K., and Todoroki, A., "Effect of Buildup Orientations and Process Parameters on the Tensile？Strength of 3D Printed Short Carbon Fiber/PA-6 Composites,"？Advanced Composite Materials, Vol. 31, No. 2 2022, pp. 119-136.

상세보기
Blok, L.G., Longana, M.L., Yu, H., and Woods, B.K.S., "An？Investigation into 3D Printing of Fibre Reinforced Thermoplastic Composites," Additive Manufacturing, Vol. 22, 2018, pp.？176-186.

상세보기
Barnik, F., Vasko, M., Handrik, M., Dorciak, F., and Majko, J.,？"Comparing Mechanical Properties of Composites Structures？on Onyx Base with Different Density and Shape of Fill," Transportation Research Procedia, Vol. 40, 2019, pp. 616-622.

상세보기
Impens, D., and Urbanic, R.J., "Assessing the Impact of Postprocessing Variables on Tensile and Compression Characteristics for 3D Printed Components," IFAC-PapersOnLine, Vol. 48,？Issue 3, 2015, pp. 652-657.

상세보기
Pascual-Gonzalez, C., San Martin, P., Lizarralde, I., Fernandez,？A., Leon, A., Lopes, C.S., and Fernandez-Blazquez, J.P., "Postprocessing Effects on Microstructure, Interlaminar and Thermal Properties of 3D Printed Continuous Carbon Fibre Composites," Composites Part B: Engineering, Vol. 210, 2021, pp.？108652.
Stava, O., Vanek, J., Benes, B., Carr, N., and M？ch, R., "Stress？Relief: Improving Structural Strength of 3D Printable Objects,"？ACM Transactions on Graphics (TOG), Vol. 31, Issue 4, 2012,？pp. 1-11.
Arefin, A.M.E., Khatri, N.R., Kulkarni, N., and Egan, P.F.,？"Polymer 3D Printing Review: Materials, process, and Design？Strategies for Medical Applications," Polymers, Vol. 13, Issue 9,？2021, pp. 1499.

상세보기
Zigon, J., Kariz, M., and Pavlic, M., "Surface Finishing of 3DPrinted Polymers with Selected Coatings," Polymers, Vol. 12,？Issue 12, 2020, pp. 2797.

상세보기
Kumar, K., and Kumar, G.S., "An Experimental and Theoretical？Investigation of Surface Roughness of Poly-jet Printed Parts:？This Paper Explains How Local Surface Orientation Affects？Surface Roughness in a Poly-jet Process," Virtual and Physical？Prototyping, Vol. 10, Issue 1, 2015, pp. 23-34.

상세보기
Hetrick, D.R., Sanei, S.H.R., and Ashour, O., "Void Content？Reduction in 3D Printed Glass Fiber-Reinforced Polymer？Composites through Temperature and Pressure Consolidation,"？Journal of Composites Science, Vol. 6, Issue 5, 2022, pp. 128.

상세보기
Karakurt, I., and Lin, L., "3D Printing Technologies: Techniques, Materials, and Post-processing," Current Opinion in？Chemical Engineering, Vol. 28, 2020, pp. 134-143.

상세보기
Kabir, S.M.F., Mathur, K., and Seyam, A.F.M., "The Road to？Improved Fiber-reinforced 3D Printing Technology," Technologies, Vol. 8, Issue 4, 2020, pp. 5.

상세보기
ASTM D638, Standard Test Method for Tensile Properties of？Plastics.
ASTM S. Standard Test Methods for Flexural Properties of？Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating？Materials. ASTM D790. Annual Book of ASTM Standards,？1997.

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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