3D 프린터의 프린팅 방식
3D프린터의 재료는 플라스틱 소재에 국한되었던 초기 단계에서 발전해 고무, 금속, 세라믹, 나무, 종이, 초콜릿 등 150여 개 소재로 범위가 점차 확장되고 있는 실정이다. 따라서 이제는 어떤 제품 아이디어든 설계도만 있으면 짧게는 한 시간에서 길게는 하루 안에 실물로 제작이 가능한 상황이며, 출력 부품 역시 산업용 시제품을 넘어 실제로 사용할 수 있는 시계, 신발, 휴대전화 케이스, 자동차 부속품으로까지 발전하고 있다(그림 1).

1) FDM(FFF) 소재
FDM(FFF) 소재의 플라스틱 필라멘트는 1.75mm, 3mm의 두 가지 직경으로, 흰색, 파랑색, 빨강색, 녹색, 검정색, 노랑색, 주황색, 회색, 분홍색, 보라색, 갈색 등 30여 가지가 넘는 다양한 색상이 출시되고 있다. 그 중 흰색, 파랑색, 빨강색, 녹색, 검정색 순으로 필라멘트 색상을 사용하고 있는 실정이다.
(1) PLA Filament
PLA[Poly Lactic Acid, 용융온도(180~220℃)]는 옥수수의 전분에서 추출한 원료로 만든 친환경 수지로 뜨거운 음식을 담거나, 아기가 입으로 물거나 빨아도 환경호르몬은 물론, 중금속 등 유해 물질이 검출되지 않아 안전하기 때문에 대부분의 FDM(FFF) 방식의 3D 프린터에서 가장 많이 사용하고 있다. 사용 중에는 일반 플라스틱과 동등한 특징을 가지지만 폐기시 미생물에 의해 100% 생분해되는 친환경 고분자이다. 용도로는 사무용품, 건축 모형, 완구, 학용품 등 다양한 분야에 이용할 수 있다(그림 2, 3).

 

① 장단점
첫째, 프린팅시 ABC(Acrylonitrile Butadiene Styrene)와 달리 냄새가 나지 않지만 약간 옥수수 타는 듯한 냄새가 약간 발생된다. 둘째, 재료가 굳을 때 휘는 현상이 덜하며, 강도가 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 높다. 셋째, ABS보다 층간(layer by layer) 접지력이 우수하며, 표면에 광택이 있으나 수축이 거의 발생하지 않는다. 넷째, 가열판(heat bed)이 별도로 없어도 프린터가 가능하다. 다섯째, 습기에 약하여 형상이 변형될 수 있어 재료의 특성에 맞는 환경에서 프린팅을 하는 것이 바람직하다. 여섯째, 지지대 설치시 제거하기가 어렵고 제거된 부분을 매끄럽게 후작업을 해주어야 한다. 일곱째, 출력 후 사포나 샌딩 등의 표면처리는 적합하지 않다.
(2) ABS Filament
ABS[acrylonitrile butadiene styrene copolymer, 용융온도(215~250℃)]는 스타이렌·아크릴로나이트릴·뷰타다이엔의 세 성분으로 이루어진 열가소성 스타이렌 수지로 사무용품, 건축모형, 레고, 자동차 부품·헬멧·전기기기 부품 등의 시제품 제작 등에 활용되고 있다(그림 4, 5).

 

① 장단점
첫째, 가공하기 쉽고 내충격성이 크고 내열성이 좋다. 둘째, PLA에 비해 높은 온도에 더 잘 견딜 수 있으며, 강도도 우수하다. 셋째, 아세톤의 열기를 이용하여 형상 표면에 광택을 낼 수 있다(그림 6).

넷째, 기계적 특성이 우수하며 가격이 저렴하고 구입이 쉬어 작은 조형물에 유리하다. 다섯째, 필라멘트가 녹아서 프린팅될 때 유해한 냄새가 발생된다. 여섯째, 수축률이 높아 조형이 까다롭기 때문에 히팅 베드가 반드시 필요하다. 일곱째, 출력후 사포나 샌딩 등의표면처리가 용이하다. 여덟째, 플라스틱용 도료나 아크릴계 도료로 도장이 가능하다.

(3) Nylon Filament
Nylon Filament(용융온도 235~260℃, 녹는점 214℃)는 FDM 방식에서는 필라멘트 형태로 제공되어 불투명한 표면을 가진 밝은 천연 색으로 출력되며, ABS나 PLA에 비해 마찰력이 적어 베어링이나 볼 조인트 부품, 의류, 신발, 피규어 등에 사용되고 있다(그림 7, 8).

 

① 장단점
첫째, PLA보다 부드러워 구부렸다 펴기 쉽고, 강도가높아 원래의 상태에서 변형되지 않아 보관이 편리하다. 둘째, 가볍고 화학물질에 잘 견디며, 탄력성과 광택은 플랙시블 필라멘트에 비해 좋지만 유연성은 다소 떨어진다. 셋째, 출력시 수축 현상이 발생할 수 있어 히트 베드를 사용하여야 한다. 넷째, 출력시 베드 접착이 어렵고 습기에 약하다.
(4) Flexible Filament
Flexible filament(용융온도 58~60℃, 노즐 온도100℃)는 탄력성이 좋은 고무 소재로 출력물이 잘 휘어지며, 원형으로 되돌아오는 성질로 다른 PLA나ABS 필라멘트보다 비교적 낮은 온도에서 녹는다(그림 9, 10).

(5) Wood Filament
Wood Filament(출력온도 185도일때 밝은 나무 형태, 230도일때 어두운 컬러 출력 가능)는 Recycled Wood+Binding Polymer로 구성되어 있으며, 근래 WPC(Wood/Polymer Composite)라고도 불리는 새로운 FDM 필라멘트는 나무재질의 파트 제작이 가능하며, 뒤틀림(변형)이 제로에 가까움, 거칠거나 부드러운 표면, 나이테 인쇄 등이 가능하다(그림 11, 12).

① 장단점
첫째, 완성된 출력물의 표면은 나무의 질감을 느낄 수 있지만, 출력시 나무향이 타는 냄새가 발생한다.
둘째, PLA나 ABS의 플라스틱 소재보다 강도가 낮기 때문에 압출기로 로딩 시 주의가 필요하다. 셋째, 소재의 특성상 온도차이에 따른 출력물의 색상(낮은 온도에서는 옅은 갈색, 높은 온도에서는 짙은 갈색)이 달라진다.
(6) Stone Filament
Stone filament(출력온도 165~175℃)는 표면이 거칠고 돌 같은 느낌을 주는 소재로 온도가 올라가면 노즐에서 경화되는 현상이 발생(노즐 및 피딩 튜브까지 교체)되기 때문에 세심한 주의가 필요하다. Wood filament와 동일하게 노즐의 직경이 클수록 출력이 좋기 때문에 가급적 0.6mm 이상이 바람직하다(그림 13).

< 다음 호에 계속 >