ME(Matrial Extrusion)재료압출 방식 3D프린터에서 많이 사용하는 소재와 플라스틱

ME(Matrial Extrusion)재료압출 방식 3D프린터에서 많이 사용하는 소재에 대해서 알아보자. 3D프린팅용 소재를 알아보기 전에 먼저 플라스틱에 대해서 살펴보기로 한다.

흔히 플라스틱(Plastic)이라고 부르는 소재는 고분자(Polymer), 수지(Resin)으로 분류할 수 있다.

 

우리 일상에서도 매일 접하게 되는 플라스틱(Plastic)은 반영구 변형이 생기는 소성 변형(Plastic deformation)에서 기반한 용어로, 고분자 재료에 열을 가해 성형하면 변형이 반영구적으로 남는 특성에서 사용되었으며 가장 널리 사용되는 용어이다.

 

고분자(高分子, Polymer)

고분자(高分子, Polymer)에는 일반적으로 분자량이 10,000 이상인 큰 분자를 말하며, 분자량이 낮은 단량체(monomer)가 분자 결합으로 수없이 많이 연결되어 이루어진 높은 분자량의 분자를 의미하며, ‘중합체’라고도 불리며 학술적으로 가장 널리 사용되는 용어이다.

 

수지(樹脂, Resin)

수지(樹脂, Resin)는 초기의 고분자 재료가 식물이나 나무에서 추출된 것에 기인한 용어로, 보다 정확하게는 천연수지가 아닌 인공적으로 합성한 고분자를 일컬어 합성수지 (合成樹脂)라고 한다.

 

플라스틱은 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱으로 분류할 수 있으며, 범용 플라스틱은 아래의 종류가 대표적이다.

 

Polyethylene (PE)

-1933년 영국의 ICI社에 의해 상용화

- 강도, 내수성, 젂기 젃연성이 우수하고 내충격도 크며 저온 유연성도 좋음

- 물성에 따라 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 분류

- 내산,알칼리성을 가지고있으나 석유계의 용제나 톨루엔, 벤젠 등의 탄화수소계의 용제에는 약함

- 용도 : 전선 피복용, 필름재, 쇼핑백, 포장재, 뚜껑류, 가정 용기 등

 

Polypropylene (PP)

-1957년에 이탈리아의 Montecatini社에 의해 상용화

-가볍고, 가공성이 용이하며 연화점 높음 (순수 PP는 175℃의 융점)

-폴리에틸렌에 비하여 인장 강도, 탄성률 우수

-분자 구조적으로 열 자외선에 의해 산화가 잘되고 대젂되기 쉬우며, 결정성 때문에 사출 성형 시 상처가 발생하기 쉬움

-용도 : 식기류, 가정 용기, 필름재(OPP, CPP 필름), 문구용, 비디오케이스 등

 

Polystyrene (PS)

-1931년에 독일의 Farben社에 의해 상용화

-일반 폴리스티렌(GPPS), 내충격성 폴리스티렌(HIPS), 발포 폴리스티렌(스티로폼)

-무색 투명하게 제조 가능하며 선명핚 착색이 자유로움

-연화 온도가 낮고(95℃ 부근) 내열성 및 내충격성이 낮음

-용도 : 투명 용기, 카세트테이프/CD 케이스, 요구르트병, 전자 제품 하우징 등

 

Polyvinyl chloride (PVC)

-1936년에 미국의 Union Carbide社에 의해 상용화

-기계적 성질이 우수하며 가격 저련

-무색 투명하게 제조 가능하며 선명핚 착색이 자유로움

-내열, 내한성, 강인성 및 전기 절연성이 우수

-내수성, 난연성이 우수하고 산, 알칼리에 안정

-용도 : 우비/우산, 건축 자재용(바닥재, 벽재 등), 파이프(수도관, 전기 배관, 건축 배관 등), 완구, 문구, 장신구, 발포제 (인조 가죽, 단열재, 방음재) 등

 

Polymethyl mathacrylate (PMMA)

-1933년에 미국의 Rohm & Hass社에 의해 상용화

-내후성이 우수하며 열 또는 일광에서 변색되거나 퇴색되지 않음

-무색 투명하게 제조 가능하며 선명핚 착색이 자유로움

-기계 가공성이 우수하며 가격 저련

-범용 플라스틱 중에는 내열성 우수 (연화 온도 100℃ 이상)

-용도 : 광학 렌즈, 안경, 컨택트 렌즈, 판유리, 간판, 형광등, 명패, 각종 케이스 등

 

기능성 플라스틱

-인장 강도 50MPa 이상, 100℃ 이상의 내열성

-Base polymer에 강화제, 충진제, 난연제 등의 보강을 통해 특성 개질

 

5대 Engineering plastic : 폴리아미드(PA), 폴리아세탈(POM), 폴리카보네이트(PC), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 변성 폴리페닐렌옥사이드(MPPO)

 

고기능성 플라스틱 (Super-engineering plastic)

-인장 강도 100MPa 이상, 150℃ 이상의 내열성

-내열성이나 강도, 내마모성이 뛰어나 기계나 자동차, 항공기, 전자 기기의 부품 등에 쓰이는 공업용 플라스틱으로 금속(경금속) 대체를 목적으로 개발

-종류 : 폴리이미드(PI), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르이미드(PEI), 액정폴리에스테르(LCP)

 

ME방식 3D프린터용 플라스틱 소재

ME 방식의 대표적인 기술 = FDM, FFF, PJP 등이 있다.

 

PLA (Polylactic acid)

-옥수수 전분 기반 바이오 플라스틱(생분해성)으로 인체에 무해

-3D프린터 소재 중 융점이 가장 낮음(융점 : 180~230℃)

-열 수축 현상이 적어 비교적 큰 사이즈 출력물에도 적합

-내구성이 떨어지고 표면 처리 및 도장 등 후공정이 어려움

 

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)

-융점: 210~260℃

-PLA에 비해 강도, 열에 대한 내구성, 가격 경쟁력이 우수

-열 수축 현상이 일어나 정밀한 제품 출력이 어려움 (히팅 베드 필요)

-제품 출력 후 증착, 착색, 광택 처리, UV코팅, 도금이 가능

-작업 시 유해가스발생, 플라스틱 타는 냄새가 심해 환기 필요

 

PA (Polyamide, Nylon)

-융점: 235~270℃

-인장 강도, 내마모성, 내열성 우수 (Engineering plastic)

-유연성이 좋으며 표면 깔끔함

-3D프린팅용 필라멘트에는 저융점 고분자인 PA11,12가 주로 사용

-필라멘트 전문 생산업체인 미국 Taulman社에서 Taulman3D618Nylon’ 출시

 

PC (Polycarbonate)

-융점 270~300℃, 유리 전이 온도 150℃

-내열성과 내구성 우수 (Engineering plastic)

-열 수축 현상이 심해 정밀한 제품 출력이 어려움 (가열 챔버 필요)

-보급형 FFF 방식 3D프린터에서는 작업이 불가하여 산업용 FDM 3D프린터에서 사용 가능

 

PC-ABS

-융점 270~300℃, 유리 전이 온도 150℃

-PC의 장점인 강도와 내열성, ABS의 장점인 유연성 추구

-충격 강도 우수

-보급형 FFF 방식 3D프린터에서는 작업이 불가하여 산업용 FDM 3D프린터에서 사용 가능

 

PEI (Ultem9085)

-융점 300℃ 이상, 유리 전이 온도 186℃

-PC의 장점인 강도와 내열성, ABS의 장점인 유연성 추구

-열 수축 현상이 심해 정밀한 제품 출력이 어려움 (열챔버 필요)

- 보급형 FFF 방식 3D프린터에서는 작업이 불가하여 산업용 FDM 3D프린터에서 사용 가능

 

PVA (Polyvinyl alcohol)

-융점: 200℃ 내외

-물에 용해되는 재료로 수용성 지지대(Support) 제작 시 활용