간단한 대답은 적층 제조가 방대하고 빠르게 확장되는 범위의 재료로 작동하며, 주로 폴리머(플라스틱), 금속 및 복합재의 세 가지 그룹으로 분류된다는 것입니다. 플라스틱이 가장 일반적이지만, 발전 덕분에 이제 생체 적합성 티타늄부터 고온 응용 분야를 위한 특수 세라믹 부품에 이르기까지 모든 것을 인쇄할 수 있습니다.
이해해야 할 가장 중요한 개념은 재료 선택이 인쇄 공정 선택과 분리될 수 없다는 것입니다. 단순히 재료를 선택하는 것이 아니라 최종 부품이 요구하는 특정 속성을 제공하는 재료와 공정 조합을 선택하는 것입니다.
적층 제조의 주요 재료 범주
적층 제조 재료는 화학적 구성과 필라멘트, 액체 수지 또는 미세 분말과 같은 인쇄를 위한 형태에 따라 정의됩니다.
폴리머(플라스틱): 가장 일반적인 분야
폴리머는 3D 프린팅에서 가장 널리 사용되는 재료로, 다용성, 저렴한 비용 및 사용 용이성으로 인해 가치가 높습니다. 이들은 크게 두 가지 유형으로 나뉩니다.
열가소성 수지(Thermoplastics)는 분해 없이 여러 번 녹이고 고체화할 수 있는 플라스틱입니다. 이는 필라멘트 기반 인쇄에 이상적입니다. 일반적인 예는 다음과 같습니다.
- PLA(폴리젖산): 인쇄가 쉽고 생분해성이 있어 빠른 프로토타이핑 및 비기능성 모델에 적합합니다.
- ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌): PLA보다 강하고 내열성이 뛰어나며, 휴대폰 케이스 및 자동차 트림과 같은 기능성 부품에 사용됩니다.
- PETG(폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜): 강도, 내열성 및 인쇄 용이성의 균형이 잘 잡혀 있습니다. 기계 부품에 자주 사용됩니다.
- 나일론(PA): 뛰어난 내구성, 유연성 및 견고성으로 알려져 있어 기어, 살아있는 힌지 및 기타 마모 부품에 이상적입니다.
열경화성 수지(Thermosets)는 UV 광선으로 경화될 때 비가역적으로 단단해지는 액체 수지입니다. 이들은 매우 높은 디테일과 매끄러운 표면 마감을 제공하는 공정에서 사용됩니다.
- 표준 수지: 매끄럽고 사출 성형과 같은 마감을 가진 상세한 시각적 모델 및 프로토타입 제작에 탁월합니다.
- 엔지니어링 수지: 고강도, 유연성 또는 내열성과 같은 특정 속성을 갖도록 공식화되어 엔지니어링 등급 플라스틱과 유사합니다.
금속: 프로토타입에서 생산 부품까지
금속 적층 제조는 전통적인 방법으로는 생산할 수 없는 복잡하고 가벼우며 고강도 부품을 만들어 항공 우주, 의료 및 자동차 산업에 혁명을 일으켰습니다.
이러한 재료는 일반적으로 미세 분말 형태로 가공됩니다. 주요 예는 다음과 같습니다.
- 스테인리스강: 강도, 내식성 및 연성으로 가치가 높습니다.
- 티타늄: 뛰어난 강도 대 중량 비율을 제공하며 생체 적합성이 뛰어나 의료용 임플란트 및 항공 우주 부품에 최고의 선택입니다.
- 알루미늄: 가볍고 열 특성이 우수하여 열교환기 및 자동차 부품에 사용됩니다.
- 인코넬(니켈 초합금): 극심한 온도에서도 강도를 유지하여 제트 엔진 및 로켓 부품에 중요합니다.
복합재: 고성능을 위한 엔지니어링
복합재는 기계적 특성을 극적으로 향상시키기 위해 잘게 자르거나 연속적인 섬유로 강화된 기본 폴리머(나일론 등)를 포함합니다.
주요 이점은 금속과 경쟁할 수 있는 높은 강도 대 중량 비율을 달성하는 것이지만 무게는 훨씬 가볍습니다.
- 탄소 섬유 강화 폴리머: 가장 일반적인 복합재로, 지그, 고정 장치 및 최종 사용 기능성 부품에 대해 탁월한 강성과 강도를 제공합니다.
- 유리 섬유 강화 폴리머: 탄소 섬유보다 비용 효율적인 옵션으로, 표준 플라스틱보다 상당한 강도 및 내구성 향상을 제공합니다.
인쇄 공정이 재료 선택을 결정하는 방법
3D 프린터의 기술은 처리할 수 있는 재료의 유형과 형태를 결정합니다. 이 연결 고리는 옵션을 이해하는 데 근본적입니다.
FDM(Fused Deposition Modeling, 용융 적층 모델링)
이 일반적인 데스크톱 기술은 열가소성 수지(PLA 또는 ABS) 필라멘트를 녹여 층별로 압출하여 작동합니다. 비용 효율적이고 다재다능하지만 해상도는 낮습니다.
분말 베드 융합(SLS 및 DMLS)
이러한 공정은 고출력 레이저를 사용하여 미세 분말 입자를 소결하거나 녹입니다.
- 선택적 레이저 소결(SLS)은 주로 나일론과 같은 폴리머 분말에 사용됩니다.
- 직접 금속 레이저 소결(DMLS)은 티타늄 및 알루미늄과 같은 금속 분말에 사용됩니다.
조형물 광중합(SLA 및 DLP)
이러한 기술은 UV 광원을 사용하여 수조의 액체 열경화성 수지를 선택적으로 경화시켜 탁월한 디테일과 표면 마감을 가진 부품을 생성합니다.
상충 관계 이해하기
재료를 선택하는 것은 항상 비용, 성능 및 공정 복잡성의 균형입니다. 단 하나의 "최고의" 재료는 없습니다.
비용 대 성능
재료 성능과 비용 사이에는 직접적인 상관 관계가 있습니다. 표준 PLA 필라멘트 한 롤은 25달러일 수 있지만, 유사한 양의 고성능 탄소 섬유 복합재는 그 5배가 될 수 있습니다. 금속 분말은 그보다 한 자릿수 더 비쌉니다.
공정 복잡성 및 후처리
기본 열가소성 수지로 FDM 프린터에서 인쇄하는 것은 비교적 간단합니다. 반대로, 금속 인쇄는 최종 원하는 속성을 얻기 위해 고도로 제어된 환경, 광범위한 지지 구조 및 열처리 및 가공과 같은 상당한 후처리 단계를 필요로 합니다.
설계 제약 조건
재료와 공정의 조합은 설계 제약을 부과합니다. 예를 들어, FDM 인쇄에서 지지 구조의 필요성은 표면 마감에 영향을 미칠 수 있으며, 금속 인쇄의 열 응력은 부품 실패를 방지하기 위해 설계 단계에서 고려되어야 합니다.
목표에 맞는 올바른 선택하기
귀하의 응용 분야는 항상 재료 선택을 주도해야 합니다. 부품이 무엇으로 만들어져야 하는지 결정하기 전에 부품이 무엇을 해야 하는지 고려하십시오.
- 빠르고 저렴한 프로토타이핑에 중점을 둔 경우: FDM 기술을 사용하는 PLA는 형태와 맞춤을 검증하기 위한 가장 접근하기 쉽고 비용 효율적인 경로입니다.
- 강력한 기능성 플라스틱 부품에 중점을 둔 경우: 나일론, PETG 또는 탄소 섬유 복합재와 같은 재료는 최종 사용 응용 분야에 대해 우수한 기계적 특성을 제공합니다.
- 고해상도 디테일과 매끄러운 표면에 중점을 둔 경우: 열경화성 수지를 사용하는 조형물 광중합(SLA/DLP)은 시각적 모델 또는 금형 패턴에 이상적인 선택입니다.
- 임무에 중요하고 고강도 응용 분야에 중점을 둔 경우: 비용이 더 많이 들더라도 티타늄 또는 스테인리스강과 같은 재료를 사용하는 DMLS가 필요합니다.
궁극적으로 재료를 선택하는 것은 3D 프린팅 부품의 기능, 비용 및 목적을 정의하는 전략적 결정입니다.
요약표:
| 재료 범주 | 일반적인 예 | 주요 특성 | 일반적인 인쇄 공정 |
|---|---|---|---|
| 폴리머(플라스틱) | PLA, ABS, PETG, 나일론 | 다용성, 비용 효율성, 사용 용이성 | FDM, SLA/DLP(수지) |
| 금속 | 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄 | 고강도, 내열성, 경량 | DMLS, SLM(분말 베드 융합) |
| 복합재 | 탄소 섬유, 유리 섬유 강화 | 뛰어난 강도 대 중량 비율 | FDM, SLS |
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