서론
적층 제조, 특히 용융 적층 성형(FDM)은 고분자 기반 부품을 신속하고 유연하게 생산하는 데 널리 사용되는 기술이 되었습니다. 기계적 특성 외에도, 프린팅된 부품의 열적 거동은 점점 더 중요해지고 있습니다. 특히 기능성 부품, 열 응력을 받는 하우징, 응용 분야 중심의 시제품 또는 국부적인 발열에 노출된 부품의 경우, 실제 작동 조건에서 재료의 거동을 평가하기 위해서는 열확산율에 대한 이해가 필수적입니다.
폴리락타이드(PLA)는 FDM 3D 프린팅에서 가장 널리 사용되는 소재 중 하나입니다. 그러나 이 소재는 층별로 적층되기 때문에, 프린팅 구조 내부에서 방향에 따라 달라지는 열물리적 특성이 나타날 수 있습니다. 필라멘트의 배향, 냉각 조건 및 인접한 가닥 간의 융합은 열이 인쇄된 부품을 통해 전달되는 속도에 영향을 미칩니다.
측정 과제
본 연구에서는 위와 같이 적층된 PLA 시편의 열확산율을 분석하였다. 시편들은 동일한 적층 속도로 제작되었으나, 적층 방향은 서로 달랐다. 이는 적층 방향과 그에 따른 필라멘트 배열이 재료 내부의 열 전파에 미치는 영향을 조사하기 위함이었다.
시편은 60 mm/s의 속도로 프린팅되었다. 두 가지 변형 시편은 프린트 베드 위에 평평하게 직접 적층된 개별 필라멘트 층을 나타내며, 하나는 직선형 필라멘트 경로를, 다른 하나는 나선형 필라멘트 경로를 갖는다. 세 번째 시편은 프린트 베드에 수직으로 제작되었으며, 수직 방향의 필라멘트 용융을 보여준다.
방법 및 측정 조건
열확산율은 NETZSCH LFA 717 HyperFlash® 의 라이트 플래시 분석법(LFA)을 이용하여 측정하였다. 플래시 분석법에서는 평행 평면 시편의 전면이 짧은 에너지 펄스에 의해 가열된다. 이로 인해 시편 후면에서 발생하는 온도 상승은 적외선 검출기를 통해 비접촉 방식으로 기록된다. PLA 시편의 열확산율은 시간에 따른 신호 곡선을 바탕으로 계산된다.
평가를 위해 표준 모델*이 사용되었다. 주요 측정 조건은 표 1에 요약되어 있다.
*표준 모델은 이전의 Cape-Lehman [1] 모델과 유사하게 2차원(z축 및 반경 방향) 열 손실을 고려합니다.
표 1: 측정 조건
| 매개변수 | 설정 |
|---|---|
| 시편 | 폴리락타이드(PLA) |
| 기기 | LFA 717 HyperFlash® |
| 검출기 | MCT |
| 시료 홀더 | 4개 시료, 정사각형 |
| 가열 속도 | 10 K/min |
| 온도 범위 | -100°C ~ 125°C |
| 시편 치수 | 10 mm × 10 mm × 09 mm |
측정 결과
세 가지 PLA 시료의 열확산율 곡선을 직접 비교해 보면, 인쇄 방향이 미치는 영향이 뚜렷하게 나타납니다. 가열되지 않은 인쇄 베드에서 선형 또는 나선형 필라멘트 경로로 수평으로 인쇄된 시료들은 비슷한 수준의 열확산율을 보입니다. 반면, 수직 필라멘트 용융 방식으로 수직으로 인쇄된 시료는 조사된 온도 범위 전반에 걸쳐 더 높은 값을 나타냅니다.
이러한 높은 열확산율은 수직으로 연결된 필라멘트 구조를 따라 열이 더 효율적으로 전파됨을 나타냅니다. 가능한 원인 중 하나는 수직 적층과 이미 압출되어 냉각 중인 PLA로의 열 전달에 의해 촉진된, 필라멘트 내 또는 필라멘트 간 융합 정도가 더 높기 때문일 수 있습니다.
모든 데이터 세트에서 약 60°C 부근에서 열확산율의 뚜렷한 급증이 관찰된다. 이 현상은 PLA의 유리전이 특성에 기인한다. 이 전이는 유리질 상태에서 점차 고무와 유사한 물질 상태로 변화하는 것을 나타내며, 이에 따라 고분자의 분자 이동성에 영향을 미치고 결과적으로 열 전달 특성도 변화시킨다.
요약
측정 결과에 따르면, 인쇄 방향이 FDM 방식으로 인쇄된 PLA의 열확산율에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 특히, 필라멘트가 수직으로 융합된 수직 방향 시편은 수평 방향으로 인쇄된 시편보다 더 높은 열확산율을 보였습니다.
LFA 717 HyperFlash® 를 이용한 라이트 플래시 분석(Light Flash Analysis)을 통해 이러한 방향에 따른 열물리적 특성을 신뢰성 있게 규명할 수 있습니다. 이를 통해 적층 제조된 소재의 열적 거동에서 나타나는 공정 관련 차이를 정량화하고, 그 결과를 바탕으로 인쇄 매개변수, 부품 형상 및 제조 전략을 최적화할 수 있습니다.