동일한 3D 프린터를 사용하여 동일한 PLA 재료를 사용하더라도 레이어 높이를 변경하거나 필라멘트 색상을 바꾸는 것만으로도 성능 특성이 크게 달라지는 것을 상상해 보십시오. 이 당혹스러운 현상은 융합 증착 모델링(FDM) 응용 분야에서 드물지 않습니다. 이 기사에서는 이러한 겉보기에는 사소한 요소인 레이어 높이와 필라멘트 색상이 폴리락트산(PLA) 인쇄물의 기계적 특성과 치수 정확도에 어떻게 큰 영향을 미칠 수 있는지 살펴보고 3D 프린팅 매개변수를 최적화하기 위한 통찰력을 제공합니다.
3D 프린팅으로 일반적으로 알려진 적층 제조(AM)는 산업 생산을 빠르게 변화시키고 있습니다. "제4차 산업 혁명"의 최첨단 기술로 칭송받는 이 기술의 핵심 원리는 연속적인 재료 증착을 통해 3차원 물체를 구성하는 것입니다. 가공 또는 주조와 같은 기존 제조 방법과 비교하여 3D 프린팅은 다음과 같은 뚜렷한 이점을 제공합니다.
이러한 이점은 산업, 교육, 의료 및 소비자 부문에서 광범위한 채택을 촉진했으며, 시장 예측은 지속적인 성장을 나타냅니다.
다양한 3D 프린팅 기술 중에서 FDM은 경제성과 작동 단순성으로 두각을 나타냅니다. 이 프로세스는 열가소성 필라멘트를 가열된 노즐을 통해 공급하여 용융된 재료를 정밀한 레이어로 증착하여 3차원 물체를 형성합니다. PLA는 낮은 융점, 인쇄 용이성, 최소한의 독성 및 재생 가능한 기원으로 인해 가장 널리 사용되는 FDM 재료로 남아 있습니다. 여러 색상으로 제공되는 PLA는 다양한 응용 분야에 사용됩니다.
3D 프린팅이 프로토타입 제작에서 제조로 전환됨에 따라 매개변수 최적화가 중요해집니다. 치수 정확도, 변형, 질량 편차, 다공성 및 표면 질감을 포함하는 최종 제품 품질은 수많은 상호 관련된 공정 변수에 따라 달라집니다. 기존 제조와 달리 FDM 부품 강도는 벌크 재료 특성이 아닌 내부 구조에 의해 결정됩니다.
연구자들은 인쇄 온도, 빌드 플레이트 온도, 레이어 두께, 인쇄 속도, 방향, 래스터 각도, 인필 패턴/밀도, 보관 조건, 후처리 및 에이징을 포함한 여러 매개변수를 조사했습니다. 그러나 재료 사양(색상, 직경, 제조업체) 및 장비 변수(개방/폐쇄 빌드 환경)는 연구에서 종종 부적절한 주의를 받습니다.
일반적으로 노즐 직경의 절반으로 제한되는 레이어 높이는 가장 많이 연구된 FDM 매개변수 중 하나입니다. 레이어 높이가 증가하면 인쇄 시간이 줄어들지만 부품 해상도가 저하됩니다. 생산 효율성과 세부 묘사 간의 이러한 상충 관계는 신중한 고려가 필요합니다.
레이어 높이가 기계적 특성에 미치는 영향에 대한 학계의 합의는 여전히 나뉘어져 있습니다. 일부 연구에서는 PLA 부품 강도에 미치는 영향이 미미하다고 보고하는 반면, 다른 연구에서는 레이어 높이를 인장 강도(UTS)에 영향을 미치는 주요 요인으로 식별합니다. 추세와 관련하여 모순된 결과가 존재합니다. 대부분의 연구자들은 레이어 높이가 감소함에 따라 UTS가 증가하는 것을 관찰하지만, 일부 연구에서는 역관계 또는 최적의 중간 범위를 보고합니다.
이러한 불일치는 서로 다른 열 조건을 생성하는 매개변수 조합의 변동, 연구 전반에 걸쳐 광범위한 레이어 높이 범위(0.06mm ~ 0.6mm)로 인해 발생할 가능성이 높습니다.
다양한 레이어 높이에서 PLA 기계적 특성에 대한 색상의 영향을 조사하는 연구는 거의 없습니다. 많은 연구에서 표본 색상을 완전히 생략하여 그 중요성에 대한 기존의 가정을 반영합니다. 제조업체는 일반적으로 모든 PLA 색상에 대해 동일한 재료 데이터를 제공하지만, 안료 첨가제는 열적 거동을 변경하여 층간 접착력에 영향을 미치고 궁극적으로 기계적 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
새로운 증거에 따르면 동일하게 인쇄된 유색 PLA 샘플 간에 최대 31%의 UTS 변동이 있습니다. 그러나 색상과 레이어 높이의 상호 작용에 대한 포괄적인 분석을 수행하는 기존 연구는 없습니다.
광범위한 연구에서 레이어 높이가 PLA 부품 정밀도에 상당한 영향을 미친다는 것을 확인했습니다. 0.05mm ~ 0.5mm 범위 내에서 대부분의 연구는 레이어 높이가 감소함에 따라 우수한 치수 정확도를 보여주지만, 편차는 빌드 방향에 따라 X, Y 및 Z 축에서 다릅니다.
한 가지 주목할 만한 연구에서는 특징적인 테스트 조각의 치수 정확도와 인쇄 속도(50-70mm/s) 및 레이어 높이(0.10-0.20mm)를 연관시켰습니다. 연구 결과는 매개변수-기하학적 상호 의존성을 강조했지만, 좁은 레이어 높이 범위(0.10-0.20mm)는 일반적인 PLA 정밀도 벤치마크를 나타냅니다.
PLA 색상이 치수 정확도에 영향을 미친다는 것을 명시적으로 식별하는 연구는 단 두 건뿐이며, 둘 다 색상-레이어 높이 상호 작용을 조사하지 않았습니다. 하나는 정밀도를 위해 최적의 색상-방향 조합(흰색/회색/검정색)을 설정했고, 다른 하나(0.5mm 레이어에서 분홍색/회색/녹색/투명 샘플 사용)는 다양한 온도에서 안료 효과를 연구했습니다. 대부분의 연구에서는 색상이 제어 변수가 아닌 경우 완전한 재료 사양이 부족합니다.
이 연구에서는 FDM 인쇄에서 PLA 색상이 레이어 높이와 기계적 강도/치수 정확도 간의 관계에 어떻게 영향을 미치는지 평가합니다. 색상(자연색, 검정색, 빨간색, 회색)과 레이어 높이(0.05mm, 0.10mm, 0.15mm, 0.20mm)를 유일한 변수로 분리하고 일관된 인쇄 매개변수를 유지함으로써 이 연구는 이러한 중요한 상호 작용을 명확히 하는 것을 목표로 합니다.
