Material extrusion (ME)-type printing is the most popular among the 3D printing processes because it is easy to operate, economical, and can be performed for a variety of materials. In this study, the cross-section morphology of a ME-type 3D printing manufactured specimen was observed, and the relationship between cross-section morphology and deposition strength was analyzed. The materials used in this study were acrylonitrile-butadien-styrene (ABS), polylactic acid (PLA), and polycarbonate (PC), and the cross-section morphology for various nozzle temperatures was observed using an optical microscope and a scanning electron microscope. The cross-section morphology of a 3D printing manufactured specimen consisted of vertical and horizontal neck lengths, which were the interfaces between roads and air holes, where the roads were unoccupied regions. It was observed that the neck length and air hole density were dependent on the nozzle temperature and material property. The lowest and the highest air hole density were observed in the PLA and ABS specimen, respectively. Neck length and air hole density were directly related to nozzle temperature. A higher nozzle temperature provided a longer neck length and a lower air hole density. The deposition strength increased as the neck length increased, and the air hole density decreased.

3D 프린팅 중 재료압출방식(material extrusion type)은 사용이 간편하고 다양한 소재가 가능하며 경제적이어서 이의 활용도가 가장 높다. 본 연구에서는 재료압출방식 3D 프린팅에서 적층물 단면의 모폴로지를 관찰하고 적층강도와의 관계를 분석하였다. 사용한 재료는 ABS, PLA, 그리고 PC이며 적층온도를 달리하여 적층물 단면의 형태를 광학현미경과 주사전자현미경으로 관찰하였다. 적층물의 단면은 적층 로드가 접촉된 세로방향과 가로방향의 네크 길이, 그리고 적층로드가 채워지지 않은 에어 홀로 구성되어 있다. 적층온도와 재료의 물성에 따라 네크의 길이와 에어 홀의 밀도가 다르게 관찰되었다. 에어 홀의 밀도는 PLA에서 가장 작았고, ABS에서 가장 컸다. 사용한 모든 소재에서 네크 길이와 에어 홀 밀도는 적층온도에 직접적으로 관련이 있었고, 온도가 높을수록 네크 길이가 길고 에어 홀의 밀도가 줄어들었다. 네크 길이가 길수록 에어 홀의 밀도가 작을수록 적층강도는 비례적으로 증가하였다.

Keywords: material extrusion-type, 3D printing, air hole density, neck length, deposition strength

흔히 3D 프린팅이라고 불리는 적층 성형(additive manufacturing, AM)은 기존의 고전적인 절삭 가공이나 캐스팅, 플라스틱 몰딩에서는 구현할 수 없는 복잡한 형상을 하나의 공정으로 쉽게 제작할 수 있다는 장점으로 제조산업에 큰 혁신을 불러 일으키고 있다.^1-3 특히 유일한 형상과 하나의 제품만이 요구되는 분야에서는 경제적으로도 큰 장점을 가지고 있다. 이러한 장점들을 바탕으로 3D 프린팅은 단순히 제품의 형상을 확인하는 시제품을 제작하는 용도를 넘어서 의료, 우주 항공, 자동차 산업, 건축, 섬유 등 매우 다양한 분야에서 활용되고 있다.^4-8 그러나 제품 크기의 제한, 소재의 제한, 긴적층시간, 그리고 표면 및 치수의 낮은 정밀도는 3D 프린팅의 큰 단점으로 지적되고 있다.
3D 프린팅은 제조 방식에 따라 binder jetting, directed energy deposition, material extrusion, material jetting, powder bed fusion, sheet lamination 그리고 vat photopolymerization 등으로 분류되고 있다.⁹ 이 중 material extrusion(ME)에 해당하는 fused deposition modeling(FDM) 방식은 열 가소성 수지를 필라멘트 형태로 제조하여 3D 프린터의 배럴에 주입한다. 주입된 필라멘트는 배럴과 노즐을 거치면서 용융되고 노즐을 통해 압출되면서 로드(road)가 한층 씩 쌓여 제품이 형성된다. 이 방식은 조작이 간편하고 다양한 재료의 적용이 가능하며 경제적이어서 가장 대중적으로 활용되고 있다.
재료압출 방식 3D 프린팅의 연구 분야는 적층물의 적층강도, 적층물의 변형 및 휨, 치수정밀도, 표면조도 등 적층물의 품질에 관한 연구가 있다.^10-17 그리고 용융 필라멘트의 압출 현상, 히팅부 및 적층물의 온도 분석 등의 공정연구도 있다.^18-22 재료압출 방식 3D 프린팅의 조형물은 로드가 한 층씩 적층 해나가는 비연속적인 공정으로 사출성형 등으로 제작되는 벌크(bulk) 제품에 대비하여 낮은 강도를 보인다. 적층물의 강도에 영향을 주는 공정요소는 적층로드의 온도(노즐의 온도), 적층속도(노즐의 이동속도), 노즐의 지름, 로드 갭(road gap), 챔버온도, 베드온도 등 다양하다.^23-25 이러한 공정 조건에 따라 적층물 단면의 모폴로지는 다르게 나타나며 이에 따라 적층 강도가 다르게 나타난다. 고분자의 컴파운드나 블렌드에서 단면의 형태가 재료의 물성에 지대한 영향을 주는 것은 이미 다 알려져 있다.^26-30 3D 프린팅 적층물에서도 공정조건에 따른 단면의 형태를 파악하고 단면형태와 적층물의 물성과의 연계성을 찾는 것이 필요하다. Figure 1은 재료압출방식 3D 프린팅에서 적층물의 단면을 도식적으로 보여주고 있다. 원형에 가까운 로드가 적층되면서 재료가 채워지지 않고 공간으로 남아있는 에어 홀(air hole)이 존재한다. 그리고 로드가 서로 붙어있는 네크(neck)가 존재한다. 따라서 압출방식 3D 프린팅 적층물의 형태는 에어 홀과 가로와 세로의 네크 길이, 그리고 로드의 단면 모양으로 이루어져 있다. 재료압출방식 3D 프린팅에서 공정조건에 따른 적층강도에 대한 연구는 많이 존재한다.^{10-17,25,31,32} 그러나 공정조건에 따른 적층물의 형태변화와 이에 따른 강도와의 연계성에 대한 연구는 미진한 실정이다.
본 연구에서는 압출방식 3D 프린팅에서 적층공정에 따른 적층물의 단면형태를 관찰하고 단면형태가 적층물의 강도에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구에서 사용한 소재는 ABS(acrylonitrile butadien styrene), PLA(polylactic acid), 그리고 PC(polycarbonate) 등 세가지 소재이다. 이전의 연구에서 압출방식 3D 프린팅 적층에서 적층물의 강도에 가장 크게 영향을 미치는 것은 적층온도로 나타났기 때문에 적층온도를 달리하여 적층단면을 관찰하였다.^25,32 각 소재에 따라 적층온도를 달리 하고 적층방향에 따라 인장강도를 측정하고 단면을 관찰하였다. 단면을 관찰하기 위해서 먼저 적층시편의 단면을 생성하는 방법을 연구하였다. 이를 이용하여 적층온도에 따른 적층물의 단면 형태의 변화를 파악하고 적층강도와의 연계성을 분석하였다.