용융수지압출방식(ME) 알아보기 : FDM, FFF, PJP

오늘은 용융 수지 압출 방식에 대해 알아보려고 하는데요, 또 다른 말로는 재료 압출 방식이라고도 합니다.

명칭만 들으면 생소할 수 있지만 이 ME방식의 대표적인 기술은 FDM과 FFF, PJP방식으로우리 흔히 알고 있는 가장 대중적인 3D프린터 방식입니다.

 

이 방식은 저렴한 가격과 접근성이 편리해 개인용 3d프린터로 많이 사용하고 있습니다.

1. 정의

ME방식은 Material Extrusion의 약자로 용융 적층 모델링이라고도 하며 고체 재료를 고온의 노즐에 녹여 분사시켜 형상을 만드는 방식입니다.

대표적인 기술로는 FDM, FFF방식이 있는데요, 다른 프린터에 비해 구조가 단순하고, 상용법이 간단해 구입 가격과 유지보수 비용이 낮은 편이며 다양한 소재 적용이 가능하고, 기기 컨트롤의 정밀도에 따라 모델의 표면 조도 개선이 가능합니다.

 

이 방식을 개발한 스캇 크롬(Scott Crump)이 자신의 딸을 위해 장난감을 만들며 글루건을 사용하면서 아이디어를 얻어 개발하게 된 것이라 합니다.

1991년 FDM(Fused Deposition Moldeling) 이름으로 생산에 성공하며 1992년 스타라타시스(stratasys) 스캇과 리사크럼에 의해 특허 등록이 되었습니다.

 

다른 방식에 비해 특허가 일찍 풀려 오픈소스 제품이 발달되어 일찍이 저가화에 성공하여 다른 방식의 3D프린터에 비해 가격이 월등히 저렴하고 현재 시중에 나와있는 것은 대부분 저가형 제품이나 DIY제품이 많습니다.

 

2. FFF방식

stratasys 스캇 크롬이 FDM방식의 특허권을 가지고 있기 때문에 reprap에서는 혹시 모를 분쟁에 대비해 같은 방식이지만 다른 이름을 사용하게 되었는데 그게 바로 FFF방식입니다.

FFF는 Fused Filament Fabrication의 약자로 용융 적층 조형 즉 직역하면 녹인 필라멘트 제조법이라고 할 수 있습니다.

 

 

3. 작동원리

① 필라멘트를 거치대에 올리고, 익스트루더에 삽입한다.

② 익스트루더가 필라멘트를 잡아당기며 밀어 넣는다.

③ 고체상태의 필라멘트는 고온의 히팅코어에서 달구어져 액체 상태로 변한다.

④ 액체상태의 필라멘트는 노즐을 통해 압출된다.

⑤ 압출된 필라멘트는 베드에 안착되며 한 층씩 적층된다.

⑥ 위의 과정을 반복하며 형상을 만든다.

 

4. 특징

ME방식의 특징을 알아보겠습니다.

1) 합리적인 비용 – 장치의 구조와 프로그램이 간단하기 때문에 장비 가격 및 유지 보수 비용이 다른 3d프린터 출력 방식에 비해 낮다.

2) 서포터가 필요하다. - 복잡한 구조를 프린팅하기 위해 무너짐을 방지하기 위해 서포트가 필요하며 출력 후에는 서포트 제거를 할 때 제품에 손상이 갈 수 있으니 주의해야 한다.

3) 접근성이 쉽고, 작동법이 간단하다. - 다른 방식의 프린터에 비해 작동 원리를 이해하기 쉽고, 보호 장비나 가공 장비가 따로 필요하지 않아 초보자들도 쉽게 다룰 수 있으며 오픈 소스 형태로 개발되어 특허가 만료되어 시중에 가장 많이 보급되었다.

4) 출력시간이 길다. - 한 층씩 쌓아 올려야 하기 때문에 결과물이 완성되기까지의 출력 시간이 오래 걸리며 한 층의 두께가 작을수록 출력품이 정교해지기 때문에 출력시간이 오래 걸린다.

5) 장비의 특성상 표면의 적층무늬가 생긴다. - 한 층씩 출력고 상온에서 굳으며 형상을 만드는 방식이기 때문에 출력물의 표면에 적층 무늬가 남는다.

이 경우 별도의 후가공이 필요하다.

<장점>

① 구조와 프로그램이 간단하다.

② 가격이 저려마고, 유지보수 비용이 낮다.

③ 치수정밀도는 ±0.2mm지만 각이 지는 부분은 완벽에 가까운 출력으로 조립파트 제작에 용이하다.

④ 소재의 특성상 강도와 습도에 강하다.

⑤ 변형이 적다.

⑥ 다양한 소재의 사용이 가능하다.

⑦ 산업용 쓰레기가 적어 친환경적이다.

⑧ 맞춤형 소량생산에 적합하다.

 

 

<단점>

① 표면 조도의 퀄리티가 높지 않다.

② 표면에 적층 흔적이 남는다.

③ 조형 시 지지대가 필요하며 별도의 제거 작업이 필요하다.

④ 색상 표현에 한계가 있다.

⑤ 제작 속도가 매우 느리다.

⑥ 작고 세밀한 부품과 두께가 얇은 부품에 부적합하다.

⑦ 실제 출력물에 공차가 발생할 수 있다.

⑧ 강한 열에 수축될 수 있다.

5. 소재

ME방식의 대표적인 방식인 FDM, FFF방식의 최고 장점은 소재의 다양성이 아닌가 싶은데요, 이 방식에 많이 사용되는 소재의 특성에 대해 알아보도록하겠습니다.

① PLA – 옥수수 전분, 사탕수수를 원료로 만드는 생분해성 친환경 소재로 보급형 3D프린터 소재 중 융점이 약 180~230℃로 가장 낮으며 열 수축 현상이 ABS에 비해 적어 큰 사이즈 출력물에도 적합하다.

다만 출력물의 표면 처리 및 도장 등 후가공이 어렵고, 수분에 취약해 건조한 실내에서 보관을 해야 한다는 단점이 있다.

② ABS – 유독가스를 제거한 석유추출물로 만든 소재로 융점이 약 210~260℃이며 열 수축 현상이 일어나 식을 때 휘는 현상이 생겨 히팅베드를 사용하는 것이 좋다.

PLA에 비해 광택이 나는 편이며 열에 대한 내구성이 좋고, 가격이 저렴한 편이며 제품 출력 후 증착, 착색, UV코팅, 도금이 가능하고, 밀폐된 공간에서 작업할 경우 냄새가 심해 환기를 반드시 해줘야 한다.

③ PC(Polycarbonate) - 내열성, 내구성이 우수하고, 열 수축 현상이 심해서 정밀한 제품 출력이 어렵다. 보급형 프린터에서는 작업이 어려워 산업용 프린터를 사용해야 한다.

④ PC-ABS – 강도와 내열성, 유연성이 좋다. 충격 강도가 우수하고 이 소재 역시 산업용 프린터로 작업해야 한다.

⑤ 나일론(Nylon) - PLA보다 유연하고 부드러운 성질을 가졌으며 가볍고, 화학물질에 잘 견디는 성질을 가진 재료이다. 플렉서블 필라멘트에 비해 유연성은 떨어지지만 탄력성과 광택이 뛰어나서 염료를 이용해 도색하기 용이하다.

이 소재는 수축 현상이 심하기 때문에 히팅베드가 있는 프린터에서 출력하는 것이 좋다.

⑥ PEI – 융점이 약 300℃이상, 유리 전이 온도 186℃로 강도와 내열성, 유연성이 좋고, 열 수축 현상이 심해 정밀한 제품 출력이 어렵고, 산업용 프린터를 사용해 출력해야 한다.

⑦ 플렉서블(Flexibile) - 고무 성분이 들어가 탄성과 유연성이 있는 소재로 3D프린팅의 한계를 늘릴 수 있는 고무 속성의 재료로 탄성이 있어 출력물이 잘 구부러지고 원형으로 돌아오는 성질을 가졌다.

⑧ WOOD – 재활용 목재에 결합용 고분자를 섞어서 만들었으며 출력 시 나무 냄새가 나고, 완성된 출력의 표면은 나무의 질감을 느낄 수 있지만 다소 거칠고, 플라스틱보다 강도가 떨어지기 때문에 압출기로 공급시 주의가 필요하다.

소재의 특성상 온도 차이에 따라 색상이 달라진다.

⑨ PVA(Polyvinyl Alcohol) - 수용성 플라스틱 폴리머로 ABS를 이용해 프린팅 시 출력물을 지지하는 서포트용 소재로 사용되며 모델을 출력하는 소재와 서포트용 소재를 같이 출력하여 조형물을 제작하고, 완성된 조형물에서 수용성 서포트 재료를 제거한다.

PVA는 따뜻한 물에 수비게 녹아버려 출력물의 표면을 깨끗하게 처리할 수 있고, 서포트 제거 과정도 쉽다.

⑩ HIPS(High Impact Polystyrene) - 유독가스를 제거한 석유추출물로 강도는 PLA와 ABS의 중간 정도이며 광택이 나고, 단단하지만 수축성이 있어 크기가 큰 출력물의 경우 균열이나 휨이 발생하기 쉽다.

지금까지 용융 수지 압출 방식에 대해 알아보았는데요, 평소 가장 잘 알던 FDM, FFF방식이 ME방식의 대표적인 기술이라는 것은 이번 포스팅을 통해 처음 알게 되었습니다.

다른 분들도 이 글이 3D프린터를 알아가는데 조금이라도 도움이 되었으면 좋겠네요. 감사합니다.