2.1 3D 출력물의 제작 방법

2.1.1 각 출력 조건에 따른 레이어 1개층의 제작 방법

본 연구에 사용한 출력물은 슬라이스 프로그램에 의해서 레이어 높이를 설정한 후, PLA와 ABS 필라멘트에 의해서 FDM 방식의 3D 프린터를 사용하여 레이어 1개층을 출력하였다. 그림 1과 2는 각각 출력에 사용한 3D 프린터와 필라멘트를 나타낸다. 3D 출력물 제작에 사용한 3D 프린터는 Cubicon (Single Plus 3DP-310F, Hyvision사)을 사용하였고 슬라이스 프로그램은 3D 프린터 제작 업체의 소프트웨어(Cubicreator V.3.3.1, Hyvision사)를 사용하였으며 필라멘트는 3D 프린터 제작 업체에서 제공한 PLA 출력 재료(1.75mm PLA 3D Fila- ment, Hyvision사)와 ABS 출력 재료(1.75mm ABS 3D Filament, Esun사)를 사용하였다.

출력 조건에 따른 레이어 1개층의 제작 방법은 다음과 같다. 우선 모델링 설계 프로그램인 오토캐드 프로그램에 의해서 가로×세로×높이가 10mm인 정육면체를 설계한 후, STL(Standard Triangulation Language) 파일로 내보내기(Exporting)하였다.

그림 3은 설계한 정육면체를 슬라이스하기 위해서 출력 조건을 설정한 슬라이스 프로그램을 나타낸다. 그림 3으로부터 슬라이스 프로그램에서 출력 재료는 PLA와 ABS 필라멘트로 설정하고 지지대와 바닥 보조물은 사용하지 않았으며 레이어 높이는 0.2mm로 설정하였다. 또한 출력 조건은 PLA 필라멘트인 경우 출력 온도(토출봉 온도)는 210℃, 베드 온도(바닥 온도)는 65℃로, ABS 필라멘트인 경우 출력 온도는 240℃, 베드 온도는 100℃로 일정하게 유지한 채, Flow Rate는 70∼140%, 내부 채우기 밀도는 35∼75%로 설정하였다. 이와 같은 조건으로 3D 프린터를 가동시켜서 설계한 가로×세로×높이가 각각 10mm인 정육면체를 출력하였다. 이후 베드의 온도가 높은 상태에서 출력물을 베드로부터 분리하면 출력물이 변형하기 쉽기 때문에 약 5분 정도 경과한 후 출력물을 베드로부터 분리하였다.

이때 정육면체 출력 전, 레이어 1개층의 두께를 균일하게 출력하기 위해서 3D 프린터의 자체 기능인 skirt 기능에 의해서 필라멘트를 베드 위에 흘려서 레이어 1개층을 생성하는데, skirt 기능에 의해서 생성된 레이어 1개층을 본 연구의 두께 측정에 사용하였다. 그림 4는 두께 측정에 사용한 레이어 1개층을 나타낸다.

2.1.2 각 출력 조건에 따른 정육면체의 제작 방법

정육면체의 제작 방법은 다음과 같다. 우선 모델링 설계 프로그램인 오토캐드 프로그램에 의해서 가로×세로×높이가 각각 10mm, 20mm인 정육면체를 설계한 후, STL 파일로 내보내기(Exporting)하였다. 그림 5는 출력 조건을 설정한 슬라이스 프로그램과 출력 상태를 표시한 3D 프린터의 표시부를 나타낸다. 슬라이스 프로그램에서 출력 재료는 PLA와 ABS 필라멘트를 설정하였고 Flow Rate는 70∼120%로 설정한다. 또한 내부 채우기 밀도는 55%로 일정하게 유지한 채, PLA 필라멘트인 경우 출력 온도는 210℃, ABS 필라멘트인 경우 출력 온도는 240℃로 설정하였다. 이후, 위의 출력 조건을 코드화시켜 정육면체를 출력하였다.

2.2 3D 출력물의 측정 방법

2.2.1 레이어 1개층의 두께 측정 방법

그림 6은 레이어 1개층의 두께를 측정하는 모습을 나타낸다. 측정을 위해서 버니어 캘리퍼스(CD-30PSX, Mitutoyo사)를 사용하였으며 측정 방법은 제작한 레이어 1개층을 버니어 캘리퍼스에 물려 1개층의 두께를 측정하였다.

2.2.2 정육면체 체적의 측정 방법

그림 7은 정육면체의 체적을 측정하는 모습을 나타낸다. 측정을 위해서 버니어 캘리퍼스를 사용하였으며 측정 방법은 제작한 정육면체를 버니어 캘리퍼스에 물려 정육면체의 가로, 세로 및 높이를 측정하였다.

2.2.3 정육면체의 레이어 간 적층 미세구조 측정 방법

그림 8과 9는 각각 정육면체의 레이어 간 적층 미세구조를 측정한 기기와 Au 코팅을 위한 Coater를 나타낸다. 미세구조 분석을 위해서 SEM(Scanning Electron Microscope, JSM-5600, JEOL사)을 사용하였으며 Au 코팅을 위해서 Coater(JEC-3000 FC, JEOL사)를 사용하였다.

3.1 3D 프린팅의 일반적인 원리

그림 10과 11은 각각 기존의 절삭 가공과 최근의 적층 조형 방법을 나타낸다. 기존에는 제품을 절삭 가공(Subtractive Manu- facturing)에 의해서 가공하였기 때문에 복잡한 형상과 작은 형상의 구현이 어려웠고 재료의 대부분이 버려졌으며 장비 운용을 위해 많은 시간과 숙련된 인원이 필요하였다. 하지만 최근에는 3D 프린터가 도입되면서 적층 가공(Additive Manufactu- ring)에 의해서 가공하기 때문에 형상에 구애받지 않고 가공이 가능하고 필요한 부분만 재료를 사용하기 때문에 제작 시간이 빠르고 제작 비용이 저렴하며 대부분의 과정이 자동으로 운영되고 있다^[6,7].

그림 12는 3D 프린팅의 원리를 나타낸다. 3D 모델링 설계자에 의해서 설계된 3D 모델링을 내보내기(Exporting)할 때 STL 파일 형식으로 저장하는데 이때 STL 파일은 3D 프린팅을 위해서 공통적으로 사용하는 파일 형식이고 수많은 삼각형 메쉬로 형성되어 있다. 이후 슬라이스 프로그램에 의해서 STL 파일을 슬라이스한 후, 슬라이스한 파일을 3D 프린터에 입력하여 3D 출력을 한다. FDM 방식 3D 프린터의 동작 원리는 압출기에 의해서 노즐 안에 삽입된 필라멘트를 필라멘트 종류에 따라서 적정한 출력 온도를 지정하여 필라멘트를 녹인 후, 베드에 한 층씩 적층하여 출력한다. 필라멘트는 열가소성 재료인 PLA와 ABS 필라멘트 이외의 다른 재료도 사용이 가능하지만, 실제 출력했을 때의 가격 대비 품질을 고려하면 일반적으로 PLA와 ABS 필라멘트를 많이 사용한다. 따라서 본 연구에서는 출력 재료로 PLA와 ABS 필라멘트를 사용하였으며 표 1과 표 2에 각각 PLA와 ABS 필라멘트의 물성값을 나타낸다.

3.2 레이어 1개층의 두께 정밀도 분석

3.2.1 PLA 필라멘트 레이어의 1개층 두께

표 3과 그림 13은 PLA 필라멘트의 출력 온도를 210℃로 일정하게 유지한 채, 노즐 안에 필라멘트 주입량을 조절하는 Flow Rate를 70∼140%로 하였을 때, 내부 채우기 밀도 변화에 따른 레이어 1개층의 두께값이다. 표 3과 그림 13으로부터 Flow Rate가 70%인 경우 내부 채우기 밀도 변화에 따른 레이어 1개층의 두께가 0.15∼0.16mm로서 평균값은 0.152mm, Flow Rate가 80%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.15∼0.17mm로서 평균값은 0.162mm, Flow Rate가 90%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.17mm로서 평균값은 0.170mm, Flow Rate가 100%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.18∼0.19mm로서 평균값은 0.188mm, Flow Rate가 110%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.19∼0.20mm로서 평균값은 0.196mm, Flow Rate가 120%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.20∼0.21mm로서 평균값은 0.206mm, Flow Rate가 130%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.21∼0.22mm로서 평균값은 0.216mm, Flow Rate가 140%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.22∼0.23mm로서 평균값은 0.224mm를 나타낸다.

이와 같은 결과로부터, 레이어 1개층의 두께가 슬라이스 프로그램에서 설정한 레이어 높이인 0.2mm와 차이가 나는 이유는 출력 재료인 PLA 필라멘트는 상온에서 출력되면서 다소 수축이 발생하기 때문이다. 결론적으로 PLA 필라멘트인 경우, 설정한 레이어 높이인 0.2mm에 가장 근접한 Flow Rate는 110%임을 알 수 있으며 내부 채우기 밀도는 레이어 1개층의 두께와 상관관계가 없는 것으로 확인됐다.

3.2.2 ABS 필라멘트 레이어의 1개층 두께

표 4와 그림 14는 ABS 필라멘트의 출력 온도를 240℃로 일정하게 유지한 채, 노즐 안에 필라멘트 주입량을 조절하는 Flow Rate를 70∼140%로 하였을 때, 내부 채우기 밀도 변화에 따른 레이어 1개층의 두께값이다. 표 4와 그림 14로부터 Flow Rate가 70%인 경우 내부 채우기 밀도 변화에 따른 레이어 1개층의 두께가 0.16∼0.17mm로서 평균값은 0.166mm, Flow Rate가 80%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.16∼0.18mm로서 평균값은 0.172mm, Flow Rate가 90%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.18∼0.19mm로서 평균값은 0.182mm, Flow Rate가 100%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.18∼0.19mm로서 평균값은 0.186mm, Flow Rate가 110%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.20mm로서평균값은 0.200mm, Flow Rate가 120%인 경우 레이어 1개 층의 두께가 0.21∼0.22mm로서 평균값은 0.212mm, Flow Rate가 130%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.21∼0.22mm로서 평균값은 0.218mm, Flow Rate가 140%인 경우 레이어 1개층의 두께가 0.22∼0.23mm로서 평균값은 0.222mm를 나타낸다.

이와 같은 결과로부터, 레이어 1개층의 두께가 슬라이스 프로그램에서 설정한 레이어 높이인 0.2mm와 차이가 나는 이유는 출력 재료인 ABS 필라멘트는 상온에서 출력되면서 일반적으로 수축이 발생하기 때문이다. 결론적으로 ABS 필라멘트인 경우, 설정한 레이어 높이인 0.2mm에 가장 근접한 Flow Rate는 110%임을 알 수 있으며 내부 채우기 밀도는 레이어 1개층의 두께와 상관 관계가 없는 것으로 확인됐다.

3.3 정육면체의 체적값 분석

3.3.1 Flow Rate 변화에 따른 PLA 정육면체의 체적값

표 5와 그림 15는 내부 채우기 밀도를 55%, 출력 온도를 210℃로 일정하게 유지한 채, Flow Rate가 70∼120%인 조건 하에서 가로×세로×높이를 각각 10mm로 설정하여 3개씩 3D 출력하였을 때 PLA 정육면체의 체적값이고 표 6과 그림 16은 가로×세로×높이를 각각 20mm로 설정하여 3개씩 3D 출력하였을 때 PLA 정육면체의 체적값이다.

표 5와 그림 15로부터 가로×세로×높이를 각각 10mm로 설정한 3개의 PLA 정육면체 체적값은 Flow Rate가 70%인 경우 967∼972$mm^3$로서 평균값은 969$mm^3$, Flow Rate가 80%인 경우 978∼982$mm^3$로서 평균값은 979$mm^3$, Flow Rate가 90%인 경우 993∼997$mm^3$로서 평균값은 994$mm^3$, Flow Rate가 100%인 경우 1,009∼1,011$mm^3$로서 평균값은 1,010$mm^3$, Flow Rate가 110%인 경우 1,026∼1,035$mm^3$로서 평균값은 1,030$mm^3$, Flow Rate가 120%인 경우 1,052∼1,059$mm^3$로서 평균값은 1,056$mm^3$를 나타낸다. 이와 같은 결과로부터 Flow Rate의 비율이 증가할수록 PLA 정육면체의 체적이 증가하고 있으며 슬라이스 프로그램에서 설정한 가로×세로×높이를 각각 10mm로 설정한 체적값 1,000$mm^3$에 가장 근접한 Flow Rate는 90%임을 알 수 있다.

표 6과 그림 16으로부터 가로×세로×높이를 각각 20mm로 설정한 3개의 PLA 정육면체 체적값은 Flow Rate가 70%인 경우 7,876∼7,932$mm^3$로서 평균값은 7,909$mm^3$, Flow Rate가 80%인 경우 7,908∼7,948$mm^3$로서 평균값은 7,932$mm^3$, Flow Rate가 90%인 경우 7,955∼8,003$mm^3$로서 평균값은 7,984$mm^3$, Flow Rate가 100%인 경우 8,064∼8,088$mm^3$로서 평균값은 8,080$mm^3$, Flow Rate가 110%인 경우 8,096∼8,132$mm^3$로서 평균값은 8,114$mm^3$, Flow Rate가 120%인 경우 8,197∼8,209$mm^3$로서 평균값은 8,203$mm^3$를 나타낸다. 이와 같은 결과로부터 Flow Rate의 비율이 증가할수록 PLA 정육면체의 체적이 증가하고 있으며 슬라이스 프로그램에서 설정한 가로×세로×높이를 각각 20mm로 설정한 체적값 8,000$mm^3$에 가장 근접한 Flow Rate는 90%임을 알 수 있다.

그림 17과 18은 각각 가로×세로×높이를 각각 10mm, 20mm로설정하여 출력한 PLA 정육면체이다.

3.3.2 Flow Rate 변화에 따른 ABS 정육면체의 체적

표 7과 그림 19는 내부 채우기 밀도를 55%, 출력 온도를 240℃로 일정하게 유지한 채, Flow Rate가 70∼120%인 조건 하에서 가로×세로×높이를 각각 10mm로 설정하여 3개씩 3D 출력하였을 때 ABS 정육면체의 체적값이고 표 8과 그림 20은 가로×세로×높이를 각각 20mm로 설정하여 3개씩 3D 출력하였을 때 ABS 정육면체의 체적값이다.

표 7과 그림 19로부터 가로×세로×높이를 각각 10mm로 설정한 3개의 ABS 정육면체 체적값은 Flow Rate가 70%인 경우 967∼987$mm^3$로서 평균값은 979$mm^3$, Flow Rate가 80%인 경우 997∼1,003$mm^3$로서 평균값은 1,000$mm^3$, Flow Rate가 90%인 경우 1,009∼1,015$mm^3$로서 평균값은 1,011$mm^3$, Flow Rate가 100%인 경우 1,018∼1,023$mm^3$로서 평균값은 1,020$mm^3$, Flow Rate가 110%인 경우 1,036∼1,040$mm^3$로서 평균값은 1,037$mm^3$, Flow Rate가 120%인 경우 1,051∼1,062$mm^3$로서 평균값은 1,058$mm^3$를 나타낸다. 이와 같은 결과로부터 Flow Rate의 비율이 증가할수록 ABS 정육면체의 체적이 증가하고 있으며 슬라이스 프로그램에서 설정한 가로×세로×높이를 각각 10mm로 설정한 체적값 1,000$mm^3$에 가장 근접한 Flow Rate는 80%임을 알 수 있다.

표 8과 그림 20으로부터 가로×세로×높이를 각각 20mm로 설정한 3개의 ABS 정육면체 체적값은 Flow Rate가 70%인 경우 7,963∼7,975$mm^3$로서 평균값은 7,968$mm^3$, Flow Rate가 80%인 경우 7,971∼7,987$mm^3$로서 평균값은 7,980$mm^3$, Flow Rate가 90%인 경우 8,019∼8,023$mm^3$로서 평균값은 8,021$mm^3$, Flow Rate가 100%인 경우 8,100∼8,116$mm^3$로서 평균값은 8,108$mm^3$, Flow Rate가 110%인 경우 8,119∼8,148$mm^3$로서 평균값은 8,130$mm^3$, Flow Rate가 120%인 경우 8,242∼8,274$mm^3$로서 평균값은 8,260$mm^3$를 나타낸다. 이와 같은 결과로부터 Flow Rate의 비율이 증가할수록 ABS 정육면체의 체적이 증가하고 있으며 슬라이스 프로그램에서 설정한 가로×세로×높이를 각각 20mm로 설정한 체적값 8,000$mm^3$에 가장 근접한 Flow Rate는 80%임을 알 수 있다.

3.3.1항과 3.3.2항의 결과로부터 가로×세로×높이를 각각 10mm로 설정하였을 때 설정값과 가장 근접한 Flow Rate는 PLA 정육면체인 경우 90%, ABS 정육면체인 경우 80%를 나타내었으며, 가로×세로×높이를 각각 20mm로 설정하였을 때 설정값과 가장 근접한 Flow Rate는 PLA 정육면체인 경우 90%, ABS 정육면체인 경우 80%를 나타내었다.

그림 21과 22는 각각 가로×세로×높이를 각각 10mm, 20mm로 설정하여 출력한 ABS 정육면체이다.

3.4 정육면체의 레이어 간 적층 미세구조 분석

3.4.1 PLA 정육면체의 적층 미세구조

그림 23은 내부 채우기 밀도를 55%, 출력 온도를 210℃로 일정하게 유지한 채, 3.3.1항으로부터 가로×세로×높이를 각각 10mm로 설정하여 PLA 정육면체의 체적이 1,000$mm^3$에 가장 근접한 Flow Rate는 90%이기 때문에 Flow Rate가 90%인 조건 하에서 가로×세로×높이를 각각 10mm로 출력하였을 때 PLA 정육면체의 레이어 간 적층 미세구조이다.

그림 24는 가로×세로×높이를 각각 20mm로 설정하여 PLA 정육면체의 체적이 8,000$mm^3$에 가장 근접한 Flow Rate는 90%이기 때문에 Flow Rate가 90%인 조건 하에서 가로×세로×높이를 각각 20mm로 출력하였을 때 PLA 정육면체의 레이어 간 적층 미세구조이다.

그림 23(a)는 PLA 정육면체의 가로×세로×높이 중 높이인 10mm를 레이어 높이인 0.2mm로 나누면 PLA 정육면체는 전체 50층(10/0.2=50)으로 구성되는 가운데, 전체 50층의 레이어 중 일부분을 나타낸다. 그림 23(a)를 분석하면, 레이어 1개층의 두께 평균값은 약 185μm(=0.185mm)를 나타낸다. 그림 23(b)와 그림 23(c)의 아랫부분 사진을 분석하면, 적층에 따른 PLA 레이어의 끝부분이 일정하게 원형으로 굴곡져서 출력된 것을 알 수 있다.

3.4.2 ABS 정육면체의 적층 미세구조

그림 25는 내부 채우기 밀도를 55%, 출력 온도를 240℃로 일정하게 유지한 채, 3-3-2항으로부터 가로×세로×높이를 각각 10mm로 설정하여 ABS 정육면체의 체적이 1,000$mm^3$에 가장 근S접한 Flow Rate는 80%이기 때문에 Flow Rate가 80%인 조건 하에서 가로×세로×높이를 각각 10mm로 출력하였을 때 ABS 정육면체의 레이어 간 적층 미세구조이다. 또한 그림 26은 가로×세로×높이를 각각 20mm로 설정하여 ABS 정육면체의 체적이 8,000$mm^3$에 가장 근접한 Flow Rate는 80%이기 때문에 Flow Rate가 80%인 조건 하에서 가로×세로×높이를 각각 20mm로 출력하였을 때 ABS 정육면체의 레이어 간 적층 미세구조이다.

그림 25(a)는 ABS 정육면체의 가로×세로×높이 중 높이인 10mm를 레이어 높이인 0.2mm로 나누면 ABS 정육면체는 전체 50층(10/0.2=50)으로 구성되는 가운데, 전체 50층의 레이어 중 일부분을 나타낸다. 그림 25(a)를 분석하면, 레이어 1개층의 두께 평균값은 약 185μm(=0.185mm)를 나타낸다. 그림 25(b)와

그림 25(c)의 윗부분 사진을 분석하면, 적층에 따른 ABS 레이어의 끝부분이 레이어 ① 부분은 두껍게, 레이어 ② 부분은 얇게 원형으로 굴곡져서 출력된 것을 알 수 있다.

그림 26(a)는 ABS 정육면체의 가로×세로×높이 중 높이인 20mm를 레이어 높이인 0.2mm로 나누면 ABS 정육면체는 전체 100층(20/0.2=100)으로 구성되는 가운데, 전체 100층의 레이어 중 일부분을 나타낸다. 그림 26(a)를 분석하면, 그림 25(a)와 동일하게 레이어 1개층의 두께 평균값은 약 185μm (=0.185mm)를 나타낸다. 그림 26(b)를 분석하면, 적층에 따른 ABS 레이어의 끝부분이 레이어 ① 부분은 두껍게, 레이어 ② 부분은 얇게 원형으로 굴곡져서 출력된 것을 알 수 있다. 이는 ABS 필라멘트의 열팽창계수가 81∼95μm/mK, PLA 필라멘트의 열팽창계수가 68μm/mK로서, 그림 24(b)에서 PLA 필라멘트의 열팽창계수가 ABS보다 낮기 때문에 PLA 필라멘트의 적층에 따른 끝 부분이 일정하게 원형으로 굴곡져서 출력되었지만, 그림 26(b)에서 ABS 필라멘트의 열팽창계수가 PLA보다 높기 때문에 ABS 필라멘트의 적층에 따른 끝 부분이 어떤 레이어는 두껍게, 다른 레이어는 얇게 원형으로 굴곡져서 출력이 반복된 것으로 생각한다.