Glass bead was introduced to enhance the dimensional stability in the layer made by SLS 3-D printing. The effects of glass bead on the slicing process and physical properties of layer made by sintering process were investigated. It was found that Hausner ratio which shows the flow ability of powder increased by glass bead but it was remained under 1.25 which did not affect the slicing characteristic of nylon powder in SLS 3-D printing by addition of glass bead less than 15%. The enhancement of dimensional stability and increase of flexural strength were noticed in the layer made by nylon with glass bead. Further improvements on dimensional stability and flexural strength were found when nylon coated glass bead was applied.

SLS 3-D 프린팅 적층 공정에서 형성 층의 치수 안정성 향상을 위하여 유리 비드를 첨가하여 이에 따른 적층 가공성 변화와 융착 공정으로 만들어진 형성 층의 물성 변화를 확인하여 보았다. 나일론 분말에 유리 비드를 15% 이내로 첨가하면 분말 흐름 특성을 판단하는 Hausner ratio가 증가하나 1.25로 제한되어 SLS 3-D 프린팅 분말 슬라이싱 공정에는 지장이 없음을 확인하였다. 유리 비드의 첨가는 형성 층의 치수 안정성을 향상시키는 동시에 flexural strength 또한 증가시킴을 알 수 있었다. 유리 비드를 나일론 용액으로 코팅하는 경우, 융착 공정이 개선됨을 알 수 있었으며 그 결과, 추가적인 치수 안정성 증가와 flexural strength 개선을 확인할 수 있었다.

Keywords: selective laser sintering 3-D printing, sintering, Hausner ratio, glass bead, dimensional stability, flexural strength

SLS(selective laser sintering) 3-D 프린팅은 고분자 분말을 CO₂ 레이저를 이용하여 융착(sintering)하여 층을 형성시키고 이 위에 다시 고분자 분말을 슬라이싱(slicing) 하여 추가적인 층을 형성시켜 성형체를 만드는 3-D 프린팅 기술이다.^1,2 따라서 고분자 분말의 흐름 특성과³ 융착 거동^4,5 그리고 형성된층의 치수 안정성은⁶ SLS 고분자 분말 재료를 선정하는데 있어서 매우 중요한 요소이다.
SLS 3-D 프린팅 공정 중 분말의 슬라이싱 공정은 분말의 흐름 특성이 매우 중요하다. 일반적으로 분말의 흐름 특성은 분말의 tapped 밀도와 bulk 밀도로 표시되는 Hausner ratio⁷ 로 나타낼 수 있으며 슬라이싱 공정의 경우 1.25 이하가 되어야 공정이 가능한 것으로 알려져 있다. 분말의 흐름성은 분말의 크기, 분말의 입도 분포 그리고 분말 모양에 따라 결정되며 일반적인 SLS 3-D 고분자 분말로 많이 사용되는 분말은 20-80 μm의 크기를 가지고 있으며 모양은 감자 모양을 갖는 것으로 알려져 있다. 현재 가장 많이 사용되는 고분자 분말은 나일론, 폴리에터에터케톤 등을 들 수 있으며 폴리에터이미드와 같은 엔지니어링 플라스틱으로 그 영역이 확장되고 있다.^2,6,8
슬라이싱 공정에 의하여 고분자 분말 층이 형성되면 다양한 레이저에 의하여 분말과 분말이 연결되는 융착 공정으로 형성 층이 만들어지게 된다. SLS 3-D 프린팅에서 유기 물질인 고분자는 레이저에 의하여 가열과 냉각이 반복되면서 적층되는 과정을 거치며 유기 물질 고유의 열 수축 및 팽창이 반복적으로 이루어 지며 이는 적층 공정에 많은 문제점을 야기한다.^2,6,9 이를 해결하기 위하여 고분자 SLS 3-D 프린터는 적층을 위한 항온 챔버가 필요하며 이로 인하여 프린터 가격 상승 및 적층 속도 감소를 초래하는 문제점이 확인되고 있다. 따라서 사용 고분자 분말은 우수한 흐름 특성, 융착 특성과 함께 열에 의한 치수 안정성이 우수한 소재가 요구되고 있다.
본 연구에서는 SLS 3-D 프린팅에 가장 많이 사용되는 나일론 분말의 적층 공정에서 치수 안정성을 향상시키기 위하여 나일론 분말에 유리 비드를 첨가하여 유리 비드가 적층 공정에 미치는 영향과 형성 층의 물성 변화를 함께 살펴보았다.