디에스엠 엔지니어링 머티리얼즈

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온도 제어는 반결정 엔지니어링 머티리얼즈을 사용한 적층제조의 핵심입니다.

10 11월 2017
  • 패트릭 두이스(Patrick Duis)이노베이션 매니저

엔지니어링 머티리얼즈과 Somos SLA(스테레오리소그래피) 소재를 이용한 3D 프린팅의 글로벌 리더인 DSM은 자동차 산업에서 쌓은 25년 이상의 지식을 공유합니다. 오늘날 그룹들은 산업에 적합한 소재에 대해 증가하는 시장의 요구를 충족시키기 위하여 어플리케이션과 적층제조에 대한 소재 지식을 결합하여 혁신을 이뤄가고 있습니다. DSM은 자동차 시장의 필요에 대한 깊은 이해와 함께 융합 필라멘트 제조(FFF)와 선택적 레이저 소결(SLS)용 고성능 폴리머와 SLA용 소재를 개발했습니다. 이 논문은 FFF용 반결정성 폴리머를 시장에 출시할 때의 개발과 과제들에 중점을 둡니다. 개발은 어플리케이션, 공정, 소재 성질에 대한 DSM의 방대한 지식을 활용하여 공정과 FFF, SLA, SLS, Multi Jet Fusion(MJF)을 비롯한 모델링 기술을 통한 소재의 구성을 예측함으로써 가속화될 수 있습니다. 

플라스틱을 이용한 적층 제조가 복잡성 증가에 대한 지속적인 요건을 수반하는 까다로운 어플리케이션으로 변화되고 있기 때문에 소재 공급업체들은 추가적인 요구를 받고 있습니다. 압출식 적층 고형(FFF)이나 용융 적층 모델링(FDM)을 고려할 때, 현재 바이오폴리머 폴리락틱 애씨드(PLA)와 보다 일반적인 폴리머 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 두가지 폴리머가 시장을 장악하고 있습니다. 이 두 소재는 몇 가지 이유로 대중적입니다. 훌륭한 프린팅 거동을 보이며 그리 비싸지도 않습니다. 또한 PLA의 경우에는 보다 ‘친환경적’입니다.

이 소재들의 단점은 특히 PLA의 경우 기계적 또는 열적 특성이 그리 훌륭하지 않다는 점입니다. 게다가 고온성능이나 내후성이 우수하지 않습니다. 그래서 FFF 3D 플라스틱 프린팅시장에 보다 나은 출력성과 사용 중 속성의 조합을 갖춘 소재를 필요로 한다는 점은 분명합니다. 다시 말해 엔지니어링 열가소성 플라스틱 제조업체들은 FFF만을 위한 그레이드를 개발해야 한다는 의미입니다. 그러나 FFF 3D 프린터 제조업체들과 이들의 고객들은 엔지니어링 열가소성 플라스틱이 일부 하드웨어 엔지니어링과 소프트웨어 수정을 필요로 할 수 있는 가공 조건 등 특별한 주의가 요구될 수 있다는 점을 인식해야 합니다.

DSM은 Novamid ID 폴리아미드 6 및 6/66, Arnite ID PETP 및 Arnitel ID 열가소성 플라스틱 바이오 기반 코폴리에스터 엘라스토머 그레이드들을 비롯한 FFF 3D 프린팅용 반결정 열가소성 플라스틱의 몇 가지 제품군을 개발했습니다. DSM은 다수의 공정 및 어플리케이션용 엔지니어링 머티리얼즈의 주요 개발자이자 제조업체로서, 3D 프린팅 공정에 대한 높은 통찰력이 소재의 물성을 이해하는 핵심이며, 이 통찰력으로 인해 회사는 제품을 보다 빨리, 보다 정확하게 개발할 수 있습니다. 

FFF 3D프린팅의 현재 상태에서 기술의 기계적 기능은 열역학적 성능을 넘어서고 있습니다. 프린터의 속도는 최대 약 300mm/s까지 도달할 수 있지만, 엔지니어링된 열가소성 플라스틱을 사용하는 많은 경우 열악한 열접착으로 인한 층간 강도가 낮으므로 완성된 부품의 기계적 특성이 낮을 수 있습니다. 주된 문제는 프린팅 장비가 고속으로 매우 정확하게 필라멘트를 증착할 수 있는 반면, 장비의 용량은 중합체를 충분히 용융시키는 이러한 능력과 일치하지 않는 것이 가장 큰 문제점입니다. 다음으로는, 제어된 프린트챔버는 부품의 휨을 낮춰 인쇄하는 데 도움이 됩니다 

온도를 이 점까지 높이려면 외부 히터 블록을 사용하여 노즐의 표면에 열을 가합니다. 이미 언급한 바와 같이 폴리머의 열전도율은 낮습니다(0.3 w/mk). 그러므로 노즐 배출구에서 균일한 온도 분포에 다다르기 까지는 시간이 걸리는 것입니다. 영국의 3D프린터 부품 공급업체인 E3D에서 주로 사용되는 핫엔드인 ‘v6’의 열밸런스에 대한 수치 시물레이션을 해보면 출력 속도가 증가함에 따라 온도 분포의 균질성이 얼마나 감소하는지 입증할 수 있습니다. 

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그림 1. 출력 속도가 증가하는 일반적인 FFF 노즐 온도 분포.

그림 1에 제시된 E3D 압출기의 뜨거운 부분에서 계산된 온도 수치는 노즐 온도 240°C 및 필라멘트 주입 온도 25°C에서 이뤄졌습니다. 사용된 유속은 표시된 프린팅 속도를 사용하며 프린팅 폭은 0.5mm와 층은 0.2mm일 때입니다. 또한 보다 긴 노즐은 소재 열을 높일 수 있습니다(예: E3D의 볼케이노 노즐). 소재의 매개 변수는 DSM에서 FFF 프린터용으로 개발한 바이오 기반 그레이드인 코폴리에스터 TPC의 Arnitel ID 2045의 것입니다.

이런 효과 다음으로 프린트 환경 제어는 비정질 소재에서 반결정 소재로 변경할 때 더욱 중요해집니다 우선, 소재가 통제된 방법으로 용융되도록 해야 합니다. 반결정 소재에 대한 트렌드는 보다 나은 기계적 성질, 장기간 열 안정성, 내화화학성을 비롯해 이런 소재들의 엔지니어링적 성능이 주도합니다. 주요 도전 과제는 용융에서 응결로 냉각 시 증가된 부피의 변화입니다. 일반적으로 결정 구조로 인한 수축으로 알려져 있습니다. 이런 수축은 휨을 발생 시키고, 프린팅은 실패하게 됩니다. 일반적인 FFF 빌드 플레이트는 유리로 제작되며, 이 유리기판을 사용하여 폴리머를 유리에 접착시키기 위해 접착제를 사용해 부품을 제조해야 합니다. ‘휨’현상이 너무 커지는 경우 부품-유리 접합부는 깨지고 부품은 기판에서 떨어져 나갑니다.   

이를 줄이는 방법은 프린팅 환경을 ‘제어’하고 보다 높은 환경 온도에서 프린팅해서(유리전이온도(Tg) 이상) 프린팅 불량이 발생할 확률을 최소화하는 것입니다. DSM은 FFF 공정 중에 결정도와 열적 거동을 예측하는 분석 모델을 개발하여 공정 중 층들이 결정화되기 시작하는 방식에 대해 더 나은 지식을 얻었습니다. DSM은 공정 설정을 예측함으로써 가공 설정을 조절해 휨현상에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다. 또 다른 이점은 휨을 제어하면서 소재의 매개 변수를 입력하고 프린팅이 잘 될 수 있는 소재를 모델링하는 것입니다.  

그림 2. 층간 수축 효과

그림 2에는 노즐에서의 온도 제어와 분포에 대한 두 가지 예를 포함하며 결정화 성질이 공정에 영향을 주는지를 보여줍니다. 가공의 모든 매개 변수 설정(프린팅 속도, 용융 온도, 베드, 챔버와 프린팅 속도)를 고려하여 단순한 기하학 구조를 모델화했습니다. DSM은 이 데이터를 소재의 모든 매개 변수와 결합하여 프린팅이 진행되는 동안의 열 분포와 결정화 거동을 모델링하고 이제는 특정 위치에서 프린팅된 기판을 볼 수 있습니다. 그림 3에서 프린팅 중인 프린트는 2.5mm와 8mm로 이뤄졌습니다. 모든 매개 변수는 결정화 속도를 제어하기 위해 다를 수 있습니다.  

그림 3. 프로세스 모델링을 위한 프린트 된 샘플의 모델.

그림 4는 프린팅 작업 중 부품의 열 이력을 보여줍니다. 주위 온도는 25°C, 가열된 유리 기판의 온도는 125°C입니다. 초기 층들은 거의 110°C에 가깝지만, 보다 높은 층의 구조의 경우 온도는 80°C에 가깝습니다. 가열 베드의 효과는 빌드가 점점 더 완성되면서 사라집니다.

그림 4. Tamb 25°C 및 Tbed 120°C에서의 열 이력과 온도 변화.

온도 이력이 알려진 경우라면 모델을 결정화 및 용적 수축 성향과 연결할 수 있습니다. 이런 방식으로 우리는 부품의 제조 중 결정화 동작을 ‘제어’할 수 있습니다. 그림 5, 6, 7, 8에서 좌측 차트는 특정 조건에서 분포된 온도 이력을, 우측 플롯은 결정화 전환을 나타냅니다. 소재가 완전히 결정화되면 그 값은 1입니다. 다른 설정을 적용하면 결정화 동작의 층들을 제어할 수 있습니다. 우측 차트상의 점선은 적층 제조 시 표준 PA6 및 최적화한 PA6(Novamid ID 1070) 간의 차이를 보여줍니다. 결정화 속도의 차이가 명확히 증명되었습니다. 결정화가 보다 느리게 진행되면 층을 함께 융합시켜 층간 접착을 강화시킵니다.

그림 5. 이 그림은 첫 번째 층이 먼저 결정화가 되었음을 보여줍니다.

그림 6. 모든 온도가 낮으면 결정화가 저해됩니다.

그림 7. 주위 온도가 높으면 마지막에 있는 층들부터 결정화가 이뤄집니다.

그림 5, 6, 7, 8에서 볼 수 있듯이 환경과 베드 온도를 제어함으로써 프린팅된 FFF 부품의 결정화를 제어할 수 있습니다. 그림 8에서는 두 온도 모두를 100도 정도로 설정하면 Novamid ID1070(PA6)에 휨 영향을 제한하여 프린팅할 수 있다는 것을 명확히 볼 수 있습니다. 

우리는 휨을 ‘조종’하여 기능적 프로토타이핑에 사용될 수 있는 부품뿐만 아니라 최종 용도 부품을 제작할 수 있습니다. 결정도 다음으로 층 두께의 영향과 층간 융합 강도에 대한 프린팅 속도를 모델링할 수 있습니다. 

현재 DSM은 프린터 소재 조합에 대한 올바른 설정을 얻기 위해 가열 챔버가 있는 새롭게 개발된 기계를 시범적으로 가동하고 있습니다. 공정과 소재 매개 변수를 완전하게 이해함으로써, 자동차 업계의 요구를 충족할 수 있는 휨이 적은 강한 부품을 만들 수 있습니다.

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