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FDM방식(FFF방식)

가열된 노즐에 필라멘트 형태의 열가소성 수지를 투입하고, 투입된 재료들이 노즐 내부에서 가압되어 노즐 출구를 통해 토출되는 형식으로 플라스틱 재료를 녹여 노즐을 통해 압출하기 때문에 조형 공정 특성상 열가소성 재료를 사용해야 합니다. 압출 후 노즐 출구의 단면과 유사한 형상을 유지할 수 있는 재료에 대부분 적용 가능하며 압출 노즐에서 토출되는 재료는 압출 헤드와 성형판 사이의 상대 운동에 의해 각 단면 형상이 만들어지고 이 작업이 모든 층에 반복 및 적층되어 3차원 형상이 만들어지게 됩니다. 대부분의 재료는 노즐을 통해 압출될 수 있도록 액체 상태나 유사한 상태로 토출되며, 토출된 후 형태가 변화하지 않습니다. 성형하려는 제품의 단면 형상이 만들어지고 재료가 경화된 후 그 위에다음 층을 같은 방법으로 토출하는 것을 반복하여 최종적으로 제품을 만들게 되는 것입니다.

 

FDM 방식의 압출 방법

재료를 압출하는 노즐이나 재료에 압력을 가하는 장치는 사용하는 재료의 종류나 기계적, 물리적 특성에 따라 다양한 형태가 있을 수 있습니다. 현재 많이 사용되는 FDM의 경우 가열된 노즐에 필라멘트 형태의 열가소성 수지를 투입하며 투입된 재료가 노즐 내부에서 가압되어 노즐 출구를 통해서 토출되는 형식입니다.

필라멘트

필라멘트 형태로 재료가 공급되며 보호 카트리지나 롤에 감겨있습니다. 이 필라멘트는 3D프린터 구조에 따라 장착위치가 결정되는데 프린터 내부에 있거나 외부에 장착되어 있는 경우도 있습니다.

스테핑 모터와 노즐

스테핑 모터 회전에 의한 기어 회전으로 필라멘트 재료가 노즐 내부에서 이송되어 노즐 내부에서 가열 용융하여 재료 압출을 합니다. 고체 상태의 필라멘트를 열에 의해 점성이 매우 높은 액체 상태로 용융, 가압되어 노즐 출구를 통해 압출 합니다.

히팅베드

베드는 Z축으로 이송, 노즐이 X-Y평면에서 이송되면서 단면 형상이 만들어 지며 한 층이 만들어지면 층 높이만큼 플랫폼이 아래로 이송되거나 헤드가 부착된 X-Y축이 위로 이송되면서 다음 층을 만들 수 있게 됩니다. FDM 방식의 재료는 열가소성 수지로 노즐에서 압출 후에 바로 굳게 되는데 주위 온도가 너무 낮으면 굳는 속도가 빨라져 이전 층 위에 접착되지 않는 문제가 발생하며 재료가 급격히 냉각되어 만들어진 구조물은 잔류 응력을 가져 추후 변형이 발생할 수 있기 때문에 히팅베드를 가열해 온도를 유지하기도 합니다.

 

후가공 처리(재료 성형 후 다음 단계)

FDM 방식은 압출 공정으로 측면에 레이어가 생겨 표면을 부드럽게 할 필요가 있으며 정밀도가 떨어지는 편이므로 깔끔한 출력물을 위해서 후가공은 필수적입니다.

서포트 제거

서포트가 없는 경우도 있으나 서포트가 있는 경우 서포트 제거부터 후가공이 시작됩니다. FDM방식에는 직접 손이나 공구로 제거하는 비수용성 서포트, 녹여서 제거하는 수용성 서포트로 나뉘는데 손으로 뗄 수도 있지만 보호 장갑을 끼고 공구를 사용하면 용이하고 수용성 서포트 제거보다 시간이 오래 걸리며 표면 상태가 상대적으로 좋지 않은 단점을 가지고 있는 것이 비수용성 서포트입니다. 또한, 대표적으로 폴리비닐 알코올 소재가 있으며 물에 잘 용해되는 저온 열가소성 소재로 간단한 침수로 빠르게 녹는 특성을 가지고 수용성 섬유로 구성되어 물에 녹으며 단순한 물 세척만으로 쉽게 제거가 가능한 장점을 가지고 있는 것이 수용성 서포트 입니다. 이 수용성 서포트는 독성이 없는 물질로 안전하게 사용할 수 있으며 크기, 형상에 따라 서포트 제거 시간이 다르나 보통의 크기는 약 15분 정도가 걸리고 HIPS 소재도 서포트 소재로 주로 사용되며 리모넨 용액에서 용해 됩니다.

사포

출력물의 표면을 다듬기 위해 사용되며 사포의 거칠기마다 번호가 있어 낮은 번호일수록 사포 표면이 거칠고 높을수록 사포 표면이 고운 것이 특징입니다. 사포 사용 시에는 번호가 낮은 거친 사포로 시작해서 번호가 높은 고운 사포로 넘가야하며 주로 스펀지 사포, 천 사포, 종이 사포가 사용됩니다.

아세톤 훈증

밀폐된 용기 안에 출력물을 넣고 아세톤을 기화시켜 표면을 녹이는 방법으로 매끈한 표면을 얻을 수 있습니다. 냄새가 많이 나고 디테일한 부분이 뭉개지는 경우가 있다는 단점이 있고 고체 기반 방식은 재료를 한 층씩 쌓아가므로 얇게 층을 쌓아도 눈으로 확인되는 층이 생기게 되어 용도에 따라 층을 없애는 후가공 작업이 필요한 경우가 있습니다. 층을 없애는 후가공 작업이 필요한 경우 산업용 아세톤을 이용해 매끄러운 표면을 만들 수 있고 붓을 이용해 출력물에 발라도 되고 실온에서 훈증을 하거나 중탕하는 방법도 있습니다. 붓을 이용하면 붓 자국이 남을 수 있고 실온은 시간이 많이 걸리며 부분 간 편차가 발생되기도 합니다. 공기 중에 증발된 아세톤은 빠진 부분 없이 골고루 출력물의 표면을 녹여 주어 편차 없이 도포가 가능하며 아세톤은 무색의 휘발성 액체로 밀폐된 공간에 부어 놓기만 해도 증발되어 훈증 효과를 볼 수 있습니다. 하지만 휘발성이 있고 독성이 강해 취급에 주의해야 합니다.

 

SLA방식

용기 안에 담긴 액체 상태의 광경화성 수지에 적절한 파장을 갖는 빛을 주사해 선택적으로 경화시키는 방식으로 특정 파장의 빛으로 광경화성 수지를 단면 형상으로 경화시켜 층을 형성하고 이 과정을 반복해 3차원 형상을 만들게 됩니다.

광경화성 수지의 구성

SLA 방식 재료인 광경화성 수지는 광 개시제, 단량체,중간체,광 억제제 및 기타 첨가제로 구성되어 있으며 광 개시제는 특정한 파장의 빛을 받으면 반응하여 단량체와 중간체를 고분자로 변환시키는 역할을 하여 광경화성 수지가 액체에서 고체로 상 변화를 일으키게 됩니다.

 

SLS방식

대표적인 분말 융접 기술로 플라스틱 분말 위에 레이저를 스캐닝하여 시제품을 만들기 위해 개발되었으나 금속, 세라믹 분말을 이용한 제품의 성형, 다양한 열원의 사용 및 다양한 형태의 재료 융접 등이 가능한 형태로 발전하였습니다. 분말에 가해지는 에너지를 높임으로써 분말을 녹여 융접 시키는 레이저 용융 기술도 개발되고 있습니다. SLS 방식은 서포트가 필요하지 않은 방식으로 융접되지 않은 주변 분말들이 제품을 제작하면서 자연스럽게 서포트 역할을 하게됩니다. 하지만 금속 분말은 융접 시 수축 등의 변형이 일어날 수 있어 별도의 서포트가 필요합니다.