나사로 고정하려고 할 때 쉽게 부러지는 3D 프린팅 부품이나 반복적인 사용에도 견딜 수 있을 만큼 견고하다고 느껴지는 부품을 쥐어 본 적이 있다면 3D 프린팅의 모든 강도가 동일하게 생성되는 것은 아니라는 사실을 이미 알고 계실 것입니다. 3D 프린팅 모델 부품 공급업체로서 저는 내구성 있는 하우징이 필요한 소규모 로봇 스타트업부터 정확하고 강력한 프로토타입이 필요한 의료 기기 팀에 이르기까지 고객을 위해 이러한 정확한 차이점을 해결하는 데 수년을 보냈습니다. 사실 3D 프린팅 부품의 강도는 무작위가 아닙니다. 재료 선택, 인쇄 기술 설정, 디자인 결정 및 후처리 단계가 혼합되어 형성됩니다. 이러한 각 요소를 분석하고, 제가 직장에서 배운 실제 교훈을 공유하고, 이를 우리가 매일 생산하는 부품 유형과 연결해 보겠습니다.
무엇보다도 선택한 재료는 부품 강도의 기본 요소입니다. 무거운 물체를 잡아야 하는 인간형 및 민첩한 로봇을 위한 맞춤형 로봇 손 하우징을 원하지만 인쇄 속도가 더 빠르다는 이유로 저가형 수지를 선택한 고객이 몇 번이나 우리에게 왔는지 말할 수 없습니다. 일주일 간의 테스트 후에 하우징이 깨졌습니다. 수지는 미세한 디테일을 표현하는 데 적합하지만 대부분의 표준 광중합체 수지는 부서지기 쉽습니다. 특히 분말 인쇄에 사용되는 열가소성 수지에 비해 더욱 그렇습니다. 내하중 부품의 경우 저는 항상 고객에게 표면 마감뿐만 아니라 재료별 강도 데이터를 알려줍니다. 예를 들어, 높은 인장 강도나 충격 저항이 필요한 부품을 프린팅하는 경우 PLA(일반적인 열가소성 수지), 나일론, 금속에서 서로 다른 결과를 얻을 수 있습니다. 선택적 레이저 소결(SLS)을 통해 가공된 나일론은 유연하고 충격에 강해 로봇 인클로저에 이상적이며, SLM 3D 프린팅 스테인리스 스틸 모델 [링크] 부품은 산업 기계 부품에 극도의 인장 강도를 제공합니다. 레진 중에서도 엔지니어링 등급 레진(예: Tough Resin 또는 High-Impact 레진)은 표준 투명 레진보다 훨씬 더 나은 강도를 제공합니다. 고객이 유사한 디자인에서 표준 레진에서 엔지니어링 레진으로 업그레이드하고 프린트 설정을 조정하지 않고도 부품의 내구성을 두 배로 늘리는 것을 보았습니다. 또한 다양한 프린팅 기술은 다양한 재료를 사용한다는 점도 주목할 가치가 있습니다. 수지 3D 프린팅 부품[링크]은 액체 포토폴리머를 사용하는 반면 SLS는 열가소성 분말을 사용하고 SLM은 금속 분말을 사용하므로 재료를 부품의 최종 용도에 맞추는 것은 협상할 수 없습니다. 제가 흔히 보는 실수는 고객이 본질적인 기계적 특성이 아닌 비용이나 인쇄 시간만을 기준으로 재료를 선택한다는 것입니다. 우리는 프린터를 만지기 전에 항상 사용 사례를 먼저 살펴보고 재료 옵션의 범위를 좁힙니다.
다음으로, 3D 프린팅 기술과 프로세스 매개변수는 해당 재료의 강도를 최종 부품으로 변환하는 데 큰 역할을 합니다. 가장 영향력 있는 설정 중 하나인 레이어 높이부터 시작해 보겠습니다. 레이어 높이가 낮을수록(더 얇은 레이어) 인접한 레이어 사이에 더 많은 결합이 있기 때문에 일반적으로 부품이 더 강해지지만 인쇄하는 데 시간이 더 오래 걸립니다. 지난 달 로봇 팔용 기능성 브래킷을 프린팅하던 고객이 있었습니다. 그는 처음에 시간을 절약하기 위해 0.2mm 레이어를 사용했지만 5kg의 하중으로 들어올리면 브래킷이 레이어 라인을 따라 부러졌습니다. 0.1mm 레이어로 바꾸자 부품의 레이어간 접착력이 훨씬 좋아져 8kg도 문제 없이 지탱할 수 있었습니다. 그러나 레이어 높이가 유일한 매개변수는 아닙니다. 예를 들어 SLS 인쇄 서비스[링크]의 경우 분말 입자를 융합하는 데 사용되는 레이저 전력이 중요합니다. 너무 낮고 입자가 완전히 결합되지 않아 부품을 약화시키는 틈이 생성됩니다. 너무 높으면 재료가 저하될 위험이 있으며 강도도 감소합니다. 레진 프린팅의 경우 노출 시간과 경화 온도(인쇄 중 및 경화 후 모두)가 레진 분자 사이의 교차 결합에 영향을 미칩니다. 경화가 부족하면 부품이 부드럽고 약해지며, 과도하게 경화되면 레진이 부서지기 쉽습니다. 또 다른 핵심 요소는 채우기 밀도와 패턴으로, 거의 모든 클라이언트에 맞게 조정됩니다. Infill은 부품의 내부 구조이며 100% Infill 부품은 20% Infill 부품보다 훨씬 강하지만 무겁고 가격도 더 비쌉니다. 내하중 부품의 경우 일반적으로 삼각형 또는 육각형 패턴으로 50-70% 충전하는 것이 좋습니다. 이는 선형 또는 그리드 패턴보다 응력을 고르게 분산시킵니다. 우리는 이를 맞춤형 로봇 팔 구성 요소에서 테스트했습니다. 삼각형 충전재는 동일한 밀도의 그리드 충전재보다 30% 더 나은 충격 저항성을 제공했으며 고객은 추가 재료에 대한 비용을 지불할 필요가 없었습니다. 인쇄 베드에서 부품의 방향도 중요합니다. 하중에 평행한 층으로 인쇄된 부품은 거의 항상 하중에 수직인 층으로 인쇄된 부품보다 약합니다. 왜냐하면 층간 결합이 층 내 결합보다 약하기 때문입니다. 강도 문제를 해결하기 위해 고객의 부분을 재조정한 적이 몇 번이나 있었는지 말할 수 없습니다. 물질적인 변경은 필요하지 않습니다. 예를 들어, 편평하게 인쇄된 마운트(당기는 힘과 평행한 레이어)는 100N에서 끊어집니다. 90도 회전하여 레이어가 당기는 힘에 맞서게 되었을 때 250N을 유지했습니다. 이는 큰 변화를 가져오는 간단한 수정입니다.
그런 다음 처음 3D 프린팅을 사용하는 사용자가 종종 간과하는 디자인 관련 요소가 있습니다. 가장 큰 문제는 부품 형상, 특히 응력 집중입니다. 날카로운 모서리, 얇은 벽, 언더컷은 응력이 쌓여 균열이나 파손이 발생하는 지점을 만듭니다. 예를 들어, 90도 직각을 가진 부품은 둥근 모서리가 있는 동일한 부품보다 강도가 훨씬 낮습니다. 둥근 모서리가 응력을 더 균등하게 분산시키기 때문입니다. 우리는 항상 하중을 받는 모든 부품에 최소 1mm의 필렛을 추가하고 고객에게 얇은 벽에 대해 경고합니다. 벽의 두께가 1.5mm 미만인 경우 특히 부서지기 쉬운 재료로 만들어진 경우 굽히거나 부서지기 쉽습니다. 또 다른 설계 요소는 벽 두께입니다. 균일한 벽 두께가 중요합니다. 두께가 다양하면 인쇄 중 냉각이 고르지 않아 내부 응력이 발생하기 때문입니다. 부품의 한 영역이 다른 영역보다 두 배 더 두꺼우면 두꺼운 영역이 더 느리게 냉각되어 부품이 약화되는 뒤틀림이나 틈이 발생합니다. 우리는 벽이 고르지 않은 디자인을 제출한 고객을 위해 많은 맞춤형 부품을 다시 디자인해야 했습니다. 부품을 인쇄 가능하고 더 강하게 만들기 위해 약간의 조정이 필요했습니다. 3D 프린팅 금속 부품 SLA 알루미늄 스테인레스 스틸 [링크] 부품과 같은 금속 부품의 경우 지지 구조도 고려해야 합니다. 지지대가 잘못 배치되면 제거 시 표면이 거칠어지거나 부품이 손상되어 약점이 생길 수 있습니다. 우리는 내하중 금속 부품을 위해 특별히 지지 배치를 설계하고, 인쇄 후 재료 제거를 최소화하는 지지 유형을 선택하여 최종 부품이 기본 재료만큼 강하도록 합니다.
후처리는 부품 강도를 높이거나 약화시킬 수 있는 마지막 단계이며 종종 가장 과소평가됩니다. 레진 부품의 경우 사후 경화가 필수적입니다. 프린터의 경화 설정이 완벽하더라도 레진을 완전히 가교하려면 프린팅 후 부품에 추가 UV 노출이 필요합니다. 우리는 사후 경화되지 않은 부품을 테스트했습니다. 프린팅 직후에는 강한 느낌이 들지만 일주일 동안 사용하면 부드러워지고 부서지기 쉽습니다. SLS 부품의 경우 분말 제거 및 비드 블라스팅을 통해 표면 마감을 향상시킬 수 있지만 과도한 비딩은 얇은 벽을 침식하고 강도를 감소시킬 수 있습니다. 우리는 각 부품의 비드 블라스팅 압력과 시간을 조정하여 표면 매끄러움과 구조적 무결성의 균형을 맞춥니다. 금속 부품의 경우 인쇄 공정에서 내부 응력을 완화하기 위해 열처리와 같은 후처리 단계가 일반적입니다. 예를 들어, SLM 인쇄 스테인리스강 부품은 레이저 용융 공정으로 인해 내부 응력이 작아서 완화하지 않으면 뒤틀림이나 균열이 발생할 수 있습니다. 프린팅 후 열처리를 하면 이러한 응력이 줄어들어 경우에 따라 부품 강도가 최대 20%까지 향상됩니다. 우리는 코팅이나 가공과 같은 마감 옵션도 제공하지만, 코팅을 너무 두껍게 추가하면 올바르게 적용하지 않으면 스트레스가 가중되거나 고르지 못한 부분이 생길 수 있다는 점을 항상 고객에게 경고합니다.
지난 분기에 우리가 수행한 실제 사례를 통해 이 모든 것을 하나로 묶어보겠습니다. 한 로봇 엔지니어링 회사는 최대 2kg의 물체를 잡는 것을 포함하여 실험실 테스트에서 일상적인 사용을 견딜 수 있는 휴머노이드 및 민첩한 로봇을 위한 맞춤형 로봇 손 하우징이 필요하다고 제안했습니다. 그들이 제출한 초기 디자인은 표준 레진으로 만들어졌으며 20% 그리드 충전으로 0.2mm 레이어로 인쇄되었으며 날카로운 모서리가 있었습니다. 우리가 프로토타입을 테스트했을 때 첫 번째 잡기 이후에 프로토타입이 깨졌습니다. 우리는 여러 요소를 함께 검토했습니다. 먼저 재료를 표준 레진의 인장 강도가 2배인 엔지니어링 등급 Tough Resin(레진 3D 프린팅 부품[링크])으로 전환했습니다. 그런 다음 레이어 높이를 0.1mm로 조정하여 레이어 간 접착력을 개선하고 충전재를 60% 삼각형 패턴으로 변경하고 모든 모서리에 2mm 필렛을 추가한 다음 레이어가 로봇 그리퍼의 당기는 힘에 저항하도록 프린트 베드에서 부품 방향을 변경했습니다. 또한 완전한 수지 가교를 보장하기 위해 24시간 후 경화 단계를 추가했습니다. 최종 부품은 파손되지 않고 5kg을 지탱했으며 이후 고객은 연구실용으로 50개를 더 주문했습니다. 그 프로젝트를 통해 강점은 하나의 요소에 관한 것이 아니라 부품의 특정 요구 사항을 충족하기 위해 올바른 재료, 공정 매개변수, 설계 및 후처리를 결합하는 것이라는 사실을 깨닫게 되었습니다.
공급업체로서 우리의 임무는 고객이 요구하는 것을 인쇄하는 것뿐만 아니라 이러한 요소가 최종 부품에 어떤 영향을 미치는지 교육하는 것입니다. 소형 프로토타입, 기능적인 산업 구성 요소, 맞춤형 로봇 부품 등 무엇을 프린팅하든 이러한 각 요소를 올바르게 파악하는 데 시간을 투자하는 것은 중요한 순간에 작동하는 부품과 실패하는 부품의 차이를 의미합니다. 프로젝트를 진행 중이고 3D 프린팅 부품이 의도된 용도에 맞게 충분히 강한지 확인하고 싶다면 재료 선택부터 최종 마무리까지 모든 단계를 안내해 드립니다. 귀하의 요구 사항에 대해 논의하고 귀하의 프로젝트에 맞는 견적을 받으려면 당사에 문의하십시오.
참고자료
- 깁슨, I., 로젠, DW, & 스투커, B. (2015). 적층 제조 기술: 3D 프린팅, 신속한 프로토타이핑, 직접 디지털 제조. 뛰는 것.
- ASTM 인터내셔널. (2020). 플라스틱의 인장 특성에 대한 표준 테스트 방법(ASTM D638).
- Bagchi, A., & Guceri, SI (1994). 광조형 부품의 기계적 성질. 신속한 프로토타이핑 저널, 1(1), 16-23.
- 웡, KV, & 에르난데스, A. (2012). 적층 제조에 대한 검토. ISRN 기계 공학, 2012, 1-10.
