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용융 필라멘트 제작
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이 부분의 본문은 3차원 인쇄 공정입니다.용융 필라멘트 제작(fused filament fabrication, FFF) 또는 용융 증착 모델링(fused deposition modeling, 상표명 약어 FDM) 또는 필라멘트 자유형상 제작은 열가소성 플라스틱 재료의 연속 필라멘트를 사용하는 3차원 인쇄 공정이다.[1] 필라멘트는 큰 스풀에서 움직이는 가열된 프린터 압출기 헤드를 통해 공급되며, 성장하는 작업물에 증착된다. 프린트 헤드는 컴퓨터 제어하에 움직여 인쇄될 모양을 정의한다. 일반적으로 헤드는 두 차원으로 움직여 한 번에 하나의 수평면 또는 층을 증착한다. 그런 다음 작업물이나 프린트 헤드는 새로운 층을 시작하기 위해 소량 수직으로 이동한다. 압출기 헤드의 속도 또한 조절하여 증착을 멈추고 시작할 수 있으며, 섹션 간에 늘어지거나 흘러내리지 않고 중단된 평면을 형성할 수 있다. "용융 필라멘트 제작"이라는 용어는 렙랩 프로젝트 구성원들이 법적으로 사용이 제한되지 않는 약어(FFF)를 만들기 위해 고안했다.[2]
2010년대부터 2020년대까지 용융 필라멘트 인쇄는 취미용 3D 인쇄 분야에서 가장 인기 있는 공정(기계 수 기준)이었다.[3] 광중합 및 분말 소결과 같은 다른 기술이 더 나은 결과를 제공할 수 있지만, 비용이 훨씬 더 많이 든다.
3D 프린터 헤드 또는 3D 프린터 압출기는 재료 압출 적층 제조에서 원료를 녹이거나 부드럽게 하고 이를 연속적인 형태로 만드는 역할을 담당한다. 필라멘트 재료는 ABS 수지(ABS),[4] 폴리젖산(PLA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 고충격 폴리스타이렌(HIPS), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 지방족 나일론과 같은 열가소성 플라스틱을 포함하여 다양하게 압출된다.[5]
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역사와 확산
용융 증착 모델링은 1988년 스트라타시스의 공동 창립자인 S. 스콧 크럼프가 개발했다.[6][7]
FDM 기술에 대한 특허는 2009년에 만료되어,[8] 사람들이 스트라타시스에 사용 권한을 요청하거나 비용을 지불하지 않고도 이 유형의 인쇄를 사용할 수 있게 되었다. 곧이어 상업용 FFF 기반 3D 프린터 산업이 크게 번성할 수 있었다. 또한 DIY 및 렙랩 프로젝트에서 제작한 디자인을 포함하여 아마추어와 기관에서 인기 있는 수많은 오픈 소스 3D 프린터 디자인이 등장했다. 특허 만료는 이 기술이 개발된 이래 가격이 200배 정도 하락하는 데 기여한 것으로 평가된다.[9]
쉐브론의 테크론과 마찬가지로 스트라타시스는 "FDM"이라는 용어의 상표권을 여전히 소유하고 있으며,[10][11] 이는 렙랩 프로젝트 및 기타 단체가 대체 이름인 FFF를 채택하게 만들었다.
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공정
요약
관점
적층 제조(AM)라고도 하는 3D 인쇄는 재료를 층별로 증착하여 부품을 제조하는 것을 포함한다.[12] 재료 압출, 바인더 제팅, 재료 제팅 및 지향성 에너지 증착을 포함하여 이를 수행할 수 있는 다양한 AM 기술이 있다.[13] 이러한 공정은 최종 제품을 달성하기 위해 다양한 유형의 압출기를 사용하고 다른 재료를 압출한다.
재료 압출
용융 필라멘트 제작은 재료 압출성형을 사용하여 물체를 인쇄하는데, 이 과정에서 원료는 압출기를 통해 밀려 나온다. 대부분의 용융 필라멘트 제작 3D 인쇄 기계에서는 원료가 스풀에 감긴 필라멘트 형태로 제공된다.
3D 프린터 액화기는 이러한 유형의 인쇄에 주로 사용되는 구성 요소이다. 이 프린터의 압출기에는 콜드 엔드와 핫 엔드가 있다. 콜드 엔드는 스풀에서 재료를 끌어와 기어 또는 롤러 기반 토크를 재료에 가하고 스테퍼모터를 통해 공급 속도를 제어한다. 콜드 엔드는 원료를 핫 엔드로 밀어넣는다. 핫 엔드는 가열 챔버와 노즐로 구성된다. 가열 챔버는 원료를 녹여 액체로 변환시키는 액화기를 수용한다. 이는 녹은 재료가 작은 노즐에서 나와 얇고 끈적한 플라스틱 구슬을 형성하게 하여, 놓이는 재료에 접착되도록 한다. 노즐은 일반적으로 직경이 0.3mm에서 1.0mm 사이이다.
인쇄할 재료에 따라 다양한 종류의 노즐과 가열 방식이 사용된다.[14] 황동 노즐은 PLA와 같은 부드러운 플라스틱에 적합하며, 경화강 노즐은 더 마모성이 강하고 단단한 재료나 첨가제가 포함된 플라스틱(예: 목재 또는 탄소 섬유가 첨가된 PLA)에 필요하다. 노즐 유형에 따라 교체 방법이 다르다. 가장 일반적으로 사용되는 노즐은 E3D에서 인기를 얻은 V6 노즐과 MK8 노즐이며, 둘 다 표준 M6x1 미터 나사를 사용한다. 노즐 교체[15]는 플라스틱 누출을 방지하기 위해 뜨거운 상태에서 수행해야 한다.
공정의 변형
- 막대의 고온 압출 - 이러한 유형의 3D 인쇄 기계에서는 원료가 필라멘트가 아닌 막대 형태이다. 막대는 필라멘트보다 두껍기 때문에 피스톤이나 롤러를 통해 뜨거운 끝으로 밀어 넣을 수 있으며, 이는 기존 FFF에 비해 더 큰 힘 및 속도를 가한다.[16]
- 슬러리의 냉간 압출 - 이러한 유형의 3D 인쇄 기계에서는 원료가 슬러리, 페이스트 또는 점토 형태인데, 이들은 모두 액체 매체에 고체 분말 입자가 점성으로 현탁되어 증착 후 건조된다. 이 경우 재료는 일반적으로 피스톤의 작용으로 노즐 쪽으로 밀려나며, 노즐은 가열되지 않는다. 세라믹 및 초콜릿과 같은 페이스트형 재료는 용융 필라멘트 공정과 특수 페이스트 압출기를 사용하여 압출될 수 있다.[17][18]
- 펠릿의 고온 압출 - 이러한 유형의 3D 인쇄 기계에서는 원료가 펠릿 형태로, 즉 열가소성 재료의 작은 알갱이이거나[19] 분말 충전제가 있는 열가소성 바인더의 혼합물이다.[20] 재료는 피스톤 또는 회전 나사의 작용에 의해 노즐 쪽으로 밀려나며, 이들은 압출 배럴에 포함된다. 이 경우 전체 압출 배럴이 노즐과 함께 가열된다.
인쇄
FFF는 3D 모델을 처리하고, 빌드 공정을 위해 모델을 정렬하며, 선택된 처리 매개변수에 따라 모델을 수학적으로 슬라이싱하는 소프트웨어 공정으로 시작된다. 필요한 경우 지지 구조물이 생성될 수 있다.[21]
노즐은 수평 및 수직 방향으로 모두 움직일 수 있으며, xy 평면에서 움직일 수 있는 기계식 스테이지에 장착된다.
노즐이 미리 정해진 기하학적 형태로 테이블 위를 움직이면, 로드(road)라고 불리는 얇은 압출 플라스틱 구슬을 증착하는데, 이는 기판 및 이전에 증착된 로드와 접촉하면 빠르게 굳는다.[22] 고체 층은 외곽 경계 내에서 로드들이 나란히 증착되는 래스터링 운동을 따라 생성된다.
스테퍼모터 또는 서보 기구는 일반적으로 압출 헤드를 이동시키는 데 사용된다. 사용되는 메커니즘은 종종 X-Y-Z 직선형 디자인이지만, 델타 로봇과 같은 다른 기계적 디자인도 사용되었다.
한 층이 완료되면, 다음 층을 시작하기 위해 플랫폼이 z 방향으로 내려간다 (또는 압출기가 올라간다). 이 과정은 물체 제작이 완료될 때까지 계속된다.
공정에서 로드의 성공적인 접착을 위해서는 증착된 재료의 열 제어가 필수적이다. 시스템은 증착되는 재료의 녹는점보다 낮은 온도로 유지되는 챔버 내에 보관될 수 있다.
FFF는 인쇄 기술로서 매우 유연하며, 하부 층의 지지를 통해 작은 돌출부를 처리할 수 있지만, 일반적으로 돌출부의 경사에 일부 제한이 있으며, 지지되지 않는 종유석을 생성할 수 없다.
ABS 수지(ABS), 폴리젖산(PLA), 폴리카보네이트(PC), 폴리아마이드(PA), 폴리스타이렌(PS), 리그닌, 고무 등 수많은 재료가 강도 및 온도 특성 간의 다양한 균형을 제공한다. 또한 주어진 열가소성 플라스틱 재료의 색상조차도 인쇄된 물체의 강도에 영향을 미칠 수 있다.[23] 최근 한 독일 회사는 처음으로 알갱이형 PEEK를 필라멘트 형태로 가공하고 FFF 기술을 사용하여 필라멘트 재료로 3D 인쇄 부품을 제작하는 기술적 가능성을 시연했다.[24]
FFF 과정 중 뜨겁게 녹은 폴리머는 공기에 노출된다. 질소나 아르곤과 같은 비반응성 기체 분위기에서 FFF 공정을 작동하면 층 접착력을 크게 높이고 3D 프린팅된 물체의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.[25] 선택적 레이저 소결 중 산화를 방지하기 위해 비반응성 기체가 일상적으로 사용된다.
공정의 물리학
압출 과정에서 열가소성 필라멘트는 롤러의 기계적 압력에 의해 액화기(또는 핫엔드)로 도입되어 녹고 압출된다. 압출기의 유동 형상, 가열 방식 및 비뉴턴 유체의 용융 유동 거동이 부품에서 주로 고려된다. 롤러는 재료 공급 시스템의 유일한 구동 메커니즘이므로, 필라멘트는 롤러 상류에서 인장 응력을 받고 하류에서는 플런저 역할을 하는 압축 응력을 받는다. 따라서 압축 응력은 압출 공정의 구동력이다.
용융물을 압출하는 데 필요한 힘은 시스템 전체의 압력 강하를 극복하기에 충분해야 하며, 이는 녹은 재료의 점성 특성과 액화기 및 노즐의 유동 형상에 엄격하게 의존한다. 녹은 재료는 유동 중에 전단 변형을 겪는다. 이러한 유형의 3D 인쇄에 사용되는 대부분의 재료에서 층밀림 얇아지기 현상이 관찰된다. 이는 일반화된 뉴턴 유체에 대한 거듭제곱 법칙을 사용하여 모델링된다.
온도는 전기 코일 히터의 열 입력으로 조절된다. 시스템은 원하는 값과 열전대로 감지된 값 사이의 온도 차이에 따라 코일에 공급되는 전력을 지속적으로 조정하여 음성 되먹임 루프를 형성한다. 이는 실내의 주변 난방과 유사하다.
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응용 분야
요약
관점
상업적 응용
FFF 및 재료 압출 기반 적층 제조 (EAM) 기술은 일반적으로 시제품 제작 및 신속 제조에 사용된다. 신속 시제품 제작은 반복적인 테스트를 용이하게 하며, 매우 짧은 생산량을 위해서는 신속 제조가 비교적 저렴한 대안이 될 수 있다.[26] EAM은 또한 의료 조직 공학 응용 분야의 스캐폴드 시제품 제작에도 사용된다.[27] 더욱이, 다중 압출 EAM은 생체 모방 복합 재료를 제작하는 데 매우 인기를 얻었다.[28] FFF는 항공우주, 자동차, 건설, 전자, 에너지, 제약, 스포츠, 섬유 및 장난감을 포함한 다른 분야의 제조에도 적용된다.[29]
자유로운 응용
오픈 소스 커뮤니티에는 소비 후 플라스틱 폐기물을 필라멘트로 가공하는 것을 목표로 하는 여러 프로젝트가 있다. 여기에는 리사이클봇과 같이 플라스틱 재료를 분쇄하고 압출하여 필라멘트로 만드는 데 사용되는 기계가 포함된다.
여러 프로젝트와 회사들이 가정용 데스크톱용 저렴한 3D 프린터 개발에 노력하고 있다. 이러한 작업의 대부분은 DIY/애호가/얼리 어답터 커뮤니티에 의해 주도되고 있으며, 학계 및 해커 커뮤니티와도 연관되어 있다.[30]
렙랩 프로젝트는 데스크톱 카테고리에서 가장 오래 진행된 프로젝트 중 하나이다. 렙랩 프로젝트는 자유 및 오픈 소스 하드웨어 (FOSH) 3D 프린터를 생산하는 것을 목표로 하며, 그 전체 사양은 GNU 일반 공중 사용 허가서 하에 배포되고, 자체 (플라스틱) 부품의 대부분을 인쇄하여 더 많은 기계를 생성함으로써 자신을 복제할 수 있다.[2][31] 렙랩은 이미 회로 기판[32] 및 금속 부품[33][34]을 인쇄할 수 있음이 입증되었다. Fab@Home은 DIY 3D 프린터를 위한 또 다른 오픈 소스 하드웨어 프로젝트이다.
렙랩 프로젝트의 FOSH 목표 때문에 많은 관련 프로젝트들이 그 디자인을 영감으로 삼아, 대부분 오픈 소스 디자인인 관련 또는 파생 3D 프린터 생태계를 만들었다. 이러한 오픈 소스 디자인의 가용성은 3D 프린터 변형을 쉽게 발명할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 프린터 디자인의 품질과 복잡성, 그리고 키트나 완성된 제품의 품질은 프로젝트마다 크게 다르다. 오픈 소스 3D 프린터의 이러한 빠른 발전은 초개인화와 퍼블릭 도메인 디자인을 사용하여 오픈 소스 적정 기술을 제작할 수 있게 함으로써 여러 분야에서 관심을 얻고 있다. 이 기술은 지역 사회에서 구할 수 있는 자원으로 기술을 쉽고 경제적으로 만들 수 있기 때문에 지속 가능한 발전 이니셔티브를 지원할 수도 있다.[35][36]
개발
고객 중심 제품 맞춤화와 비용 및 시간 절약 요구 증가는 제조 공정의 민첩성에 대한 관심을 높였다. 이는 신속 시제품 제작 기술의 개선으로 이어졌다.[22] 익스트루더의 개발은 RepRap과 같은 제품으로 인한 오픈 소스 3D 프린터 운동 때문에 빠르게 진행되고 있다. E3D와 BondTech는 현재 시장에서 가장 잘 알려진 익스트루더 제조업체이다. 액화기 가열 온도의 증가, 인쇄물의 제어 및 정밀도 향상, 다양한 재료에 대한 지원 개선 등 지속적인 개선이 이루어지고 있다. 개선된 하드웨어 외에도 하드웨어 설정에 따라 익스트루더를 보정하는 능력[37]이 많은 발전을 이루었다.
3D 프린터 비용
3D 프린터의 비용은 2010년 이후 극적으로 감소하여, 과거에 20,000달러가 들었던 기계가 이제는 1,000달러 미만으로 판매된다.[38] 예를 들어, 2017년 현재 여러 회사와 개인들이 다양한 렙랩 프로젝트 디자인을 구축하기 위한 부품을 99파운드 / 100달러부터 판매하고 있다.[39]
오픈 소스 Fab@Home 프로젝트[40]는 초콜릿부터 실리콘 실런트, 화학 반응물에 이르기까지 노즐을 통해 압출될 수 있는 모든 것을 일반용으로 인쇄할 수 있는 프린터를 개발했다. 이 프로젝트의 디자인을 따른 프린터는 2012년부터 공급업체로부터 키트 형태 또는 사전 조립 형태로 2000달러대 가격으로 판매되었다.
알레프 오브젝트가 제조한 룰즈봇 3D 프린터는 용융 증착 모델링 기술의 오픈 소스 응용의 또 다른 예시이다. 룰즈봇 제품군의 주력 모델인 TAZ 프린터는 렙랩 프로젝트 멘델90 및 Prusa i3 모델의 디자인에서 영감을 받았다. 룰즈봇 3D 프린터는 현재 시장에서 자유 소프트웨어 재단으로부터 "자유 존중" 인증을 받은 유일한 프린터이다.[41]
2018년 9월 현재, 렙랩 스타일 프린터는 온라인 소매점을 통해 키트 형태로 쉽게 구할 수 있다. 이 키트에는 작동하는 프린터를 만드는 데 필요한 모든 부품이 포함되어 있으며, 종종 테스트 인쇄용 전자 파일과 소량의 PLA 필라멘트도 포함된다.
FFF 프린터로 인쇄하는 데 사용되는 필라멘트는 SLA 레진 필라멘트보다 훨씬 비용 효율적이다. 3DBenchy를 두 기술을 비교하는 벤치마크로 사용한다면, FFF 기계로 이러한 모델을 인쇄하는 데는 대략 0.20달러가 들지만, 동일한 물체를 레진으로 만들면 거의 1.00달러가 든다.[42]
재료
플라스틱은 FFF 및 기타 EAM 변형을 통한 3D 인쇄에 가장 일반적인 재료이다. ABS 수지(ABS), 폴리카보네이트(PC), 폴리젖산(PLA), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), PC/ABS, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETG), 폴리페닐설폰(PPSU) 및 고충격 폴리스타이렌(HIPS)을 포함한 다양한 폴리머[43]가 사용될 수 있다. 일반적으로 폴리머는 순수 수지로부터 제작된 필라멘트 형태이다. 또한 PTFE 튜브와 같은 플루오르폴리머는 재료의 고온을 견딜 수 있는 능력 때문에 공정에서 사용된다. 이 능력은 특히 필라멘트 이동에 유용하다.
재료 압출 기반 적층 제조(EAM)의 다양한 변형들은 아래 표에 요약된 많은 추가 재료 유형을 다룰 수 있게 한다. 여러 재료 클래스를 압출하여 3D 인쇄할 수 있다.
- 열가소성 플라스틱 폴리머, FFF의 가장 일반적인 응용 분야이다.
- 폴리머 매트릭스와 짧거나 긴 경질 섬유를 가진 복합 재료.
- 세라믹 슬러리 및 점토, 종종 로보캐스팅 기술과 함께 사용된다.
- 금속 및 세라믹 EAM에 사용되는 세라믹 또는 금속 분말과 폴리머 바인더의 녹색 혼합물.
- 식품 페이스트.
- 바이오프린팅에 사용되는 생물학적 페이스트.
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프린트 헤드 운동학
요약
관점
대부분의 용융 필라멘트 프린터는 동일한 기본 디자인을 따른다. 평평한 베드가 인쇄 작업물의 시작점으로 사용된다. 이 위에 갠트리가 이동식 프린트 헤드를 운반한다. 갠트리 디자인은 주로 수평 X 및 Y 방향으로의 이동에 최적화되어 있으며, 작업물이 인쇄됨에 따라 Z 방향으로 느리게 상승한다. 스테퍼모터는 리드스크류 또는 톱니벨트 구동을 통해 움직임을 구동한다. 이동 속도의 차이로 인해 X, Y 구동에는 톱니벨트를 사용하고 Z 구동에는 리드스크류를 사용하는 것이 일반적이다. 일부 기계는 갠트리에서 X축 이동을 하지만, Y축 이동을 위해 베드(및 인쇄 작업)를 움직인다. 레이저 절단기와 달리 헤드 이동 속도가 낮으므로 서보 기구 대신 스테퍼모터가 보편적으로 사용된다.
많은 프린터, 특히 렙랩 프로젝트의 영향을 받은 프린터는 자체 제작에 3D 인쇄 부품을 광범위하게 사용한다. 이들은 일반적으로 다양한 각도의 구멍이 있는 인쇄된 커넥터 블록으로, 저렴한 강철 나사 막대로 연결된다. 이는 저렴하고 조립하기 쉬운 구조를 만들며, 비수직 프레임 조인트를 쉽게 허용하지만, 3D 프린터에 접근할 수 있어야 한다. 이와 같은 3D 프린터의 '부트스트래핑' 개념은 렙랩 디자인 내에서 교조적인 주제 중 하나였다. 막대의 강성 부족은 삼각 측량을 필요로 하거나, 사용 중 휘어지고 진동하여 인쇄 품질을 저하시킬 수 있는 갠트리 구조의 위험을 초래한다.
밤부 X1, 울티메이커 S 시리즈, 크리에이티 K2와 같은 많은 기계, 특히 상업용 기계는 이제 레이저 절단 합판, 플라스틱, 프레스 강판, 그리고 최근에는 알루미늄 압출재로 만든 상자 모양의 반밀폐형 프레임을 사용한다. 이들은 저렴하고 견고하며, 인쇄 작업의 뒤틀림을 제어하기 위해 내부 온도 조절이 가능한 밀폐된 인쇄 공간의 기초로도 사용될 수 있다.
극좌표를 사용하는 소수의 기계도 있는데, 주로 원형 대칭 물체를 인쇄하는 데 최적화된 기계들이다. 이 기계들은 방사형 갠트리 이동과 회전하는 베드를 가지고 있다. 속이 빈 원통을 인쇄하는 데 이러한 디자인이 기계적으로 유리할 수도 있지만, 이들의 다른 기하학적 구조와 그로 인한 비주류적인 인쇄 계획 접근 방식 때문에 아직까지는 인기가 많지 않다. 로봇의 모션 계획이 카르테시안 좌표에서 극좌표로 변환하는 것은 쉬운 작업이지만, 이 디자인에서 이점을 얻으려면 인쇄 슬라이싱 알고리즘이 처음부터 회전 대칭을 인식해야 한다.
압출기 부착 방식
압출기가 나머지 기계에 장착되는 방식은 시간이 지남에 따라 비공식적인 장착 표준으로 발전했다. 이러한 표준은 새로운 압출기 디자인을 기존 프린터 프레임에서 테스트할 수 있게 하고, 새로운 프린터 프레임 디자인이 기존 압출기를 사용할 수 있게 한다.[14]
- 수직 X축 표준
- 퀵핏 압출기 마운트
- OpenX 마운트
델타 로봇 프린터
'로스토크' 또는 '코셀' 패턴 프린터는 델타 로봇 메커니즘을 기반으로 하여 다른 접근 방식을 취한다.[53][54] 이들은 상단에 3개의 팔을 가진 델타 로봇이 장착된 넓은 개방형 인쇄 공간을 가지고 있다. 이 로봇 디자인은 낮은 관성과 넓은 공간에서 빠른 움직임 능력으로 유명하다. 그러나 가늘고 긴 팔 끝에 무거운 프린트 헤드를 움직일 때의 안정성과 진동으로부터의 자유는 기술적인 과제이다. 이 디자인은 주로 크고 무거운 갠트리 없이 넓은 인쇄 공간을 확보하는 수단으로 선호되었다.
프린트 헤드가 움직임에 따라 필라멘트가 보관 코일에서 헤드까지의 거리도 달라진다. 필라멘트에 가해지는 장력은 인쇄 품질에 영향을 미치지 않도록 극복해야 할 또 다른 기술적 과제이다.
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같이 보기
각주
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