Abstract: 융합 필라멘트 제조(FFF)는 용융된 열가소성 재료를 층별로 선택적으로 증착하여 3차원 물체를 만드는 적층 제조(AM) 공정입니다. 이 가이드는 FFF 기술에 대한 자세한 검토를 제공하며, 기본 원리, 공정 변형, 설계 고려 사항, 재료, 후처리 기술 및 다양한 응용 분야를 포함합니다. 이는 이 널리 접근 가능한 제조 기술을 이해하고 활용하려는 엔지니어, 디자이너 및 제조업체를 위한 권위 있는 참고 자료 역할을 합니다.
1. 융합 필라멘트 제조 소개
융합 필라멘트 제조(FFF)는 일반적으로 융합 증착 모델링(FDM)으로도 알려져 있으며, Stratasys의 상표인 이 용어는 오늘날 가장 널리 사용되고 접근 가능한 적층 제조 기술 중 하나입니다. FFF의 핵심 원리는 열가소성 필라멘트를 용융점까지 가열하여 노즐을 통해 제어된 패턴으로 압출하여 층별로 물체를 만드는 것입니다. 이 기술은 ASTM International에서 정의한 바와 같이 재료 압출 적층 제조의 광범위한 범주에 속합니다.
FFF의 역사는 1980년대 후반 Dr. S. Scott Crump가 발명하고 특허를 받은 FDM과 얽혀 있습니다. 주요 특허가 만료되고 오픈 소스 RepRap(Replicating Rapid Prototyper) 프로젝트가 부상한 후, 이 기술은 대중에게 널리 보급되어 '융합 필라멘트 제조' 또는 동의어인 '융합 필라멘트 제조(FFF)'라는 비독점적 용어가 채택되었습니다. 이러한 민주화는 혁신을 촉진했으며 FFF를 취미가와 전문가 모두에게 가장 인기 있고 저렴한 3D 프린팅 방법 중 하나로 만들었습니다.
FFF는 작동의 단순성, 광범위한 재료 선택 및 프로토타입 제작 및 소량 생산에 대한 비용 효율성으로 구별됩니다. 그러나 잠재력을 완전히 이해하려면 공정 역학, 설계 제약 및 기능을 계속 확장하는 지속적인 발전에 대한 심층적인 조사가 필요합니다.
2. FFF 공정: 단계별 분석
FFF 공정은 전처리, 인쇄 및 후처리 세 가지 주요 단계로 체계적으로 나눌 수 있습니다.
2.1. 전처리(디지털 준비)
이 단계에는 인쇄를 위해 디지털 모델을 준비하는 작업이 포함됩니다. 일반적으로 STL 또는 OBJ 파일 형식으로 3D 모델을 생성하는 것으로 시작하며, 이는 삼각형 메쉬를 사용하여 물체의 외부 형상을 나타냅니다. 그런 다음 이 모델을 슬라이싱 소프트웨어로 가져옵니다. 이 소프트웨어는 3D 모델을 얇은 수평 레이어(일반적으로 0.05~0.3mm 두께)로 슬라이스하고 G-코드를 생성합니다. G-코드는 모델과 필요한 모든 지지 구조, 인쇄 온도 및 인쇄 속도에 대한 도구 경로를 포함하여 프린터의 움직임을 지시하는 일련의 지침입니다.
2.2. 인쇄(제조 공정)
실제 인쇄 공정은 G-코드 지침을 정확하게 따릅니다.
필라멘트 공급: 일반적으로 스풀에 감겨 있는 고체 열가소성 필라멘트는 드라이브 기어 메커니즘에 의해 프린터의 압출기 어셈블리로 공급됩니다.
가열 및 용융: 필라멘트는 가열된 노즐(또는 액화기)로 들어가며, 여기서 유리 전이 온도 바로 위인 반액체 상태로 가열됩니다.
압출 및 증착: 용융된 재료는 미세 노즐(일반적으로 0.2~0.8mm 직경)을 통해 강제로 밀려나와 현재 레이어에 대해 정의된 도구 경로를 따라 빌드 플랫폼에 증착됩니다.
레이어 통합: 압출된 재료는 접촉 시 이전에 증착된 레이어와 융합되어 냉각을 통해 고화됩니다. 그런 다음 빌드 플랫폼이 한 레이어 높이만큼 낮아지거나(또는 프린트 헤드가 올라감) 프로세스가 반복되어 물체가 완성됩니다.
2.3. 후처리
인쇄 후 몇 가지 단계가 필요할 수 있습니다.
지지대 제거: 돌출부 또는 복잡한 형상이 있는 모델의 경우, 별도의, 종종 수용성 또는 분리 가능한 재료를 사용하여 지지 구조가 동시에 인쇄됩니다. 인쇄가 완료된 후 수동으로 제거하거나 용액에 용해해야 합니다.
표면 마감: 미학 또는 기능을 개선하기 위해 부품을 마감할 수 있습니다. 기술에는 샌딩, 연마, 프라이밍 및 페인팅 또는 레이어 라인의 가시성을 줄이기 위한 증기를 사용한 화학적 평활화가 포함됩니다.
3. FFF에 대한 중요한 설계 고려 사항
FFF용 부품을 설계하려면 인쇄 가능성과 기능을 보장하기 위해 공정의 기능과 제한 사항을 이해해야 합니다.
레이어 높이: 이는 인쇄의 수직 해상도를 결정합니다. 레이어 높이가 작을수록 수직 표면이 더 매끄러워지지만 인쇄 시간이 늘어납니다.
방향: 빌드 플레이트에서 부품의 방향은 강도, 표면 품질 및 지지대의 필요성에 결정적으로 영향을 미칩니다. FFF 부품의 이방성 특성으로 인해 일반적으로 레이어 증착 방향(X-Y 평면)을 따라 가장 강하고, 레이어 간 결합이 잠재적인 실패 지점이 되기 때문에 수직(Z) 방향으로 가장 약합니다.
지지 구조: 특정 각도(일반적으로 45도 이상)를 초과하는 돌출 기능에는 지지대가 필요합니다. 돌출부를 최소화하거나 자체 지지 각도를 통합하도록 설계하면 재료 사용을 줄이고 후처리 효율성을 향상시킬 수 있습니다.
벽 및 인필: 외부 둘레(벽)는 부품의 쉘을 정의하는 반면, 내부 인필 패턴(예: 그리드, 벌집)은 내부 구조를 제공합니다. 인필 밀도(부품 내부의 고체 재료 비율)는 강도, 무게, 재료 사용량 및 인쇄 시간의 균형을 맞추기 위해 조정할 수 있습니다.
브리징: FFF는 기본 재료 없이 두 개의 수직 지지대 사이의 범위를 인쇄할 수 있으며, 이를 브리징이라고 합니다. 성공적인 브리징을 위해서는 적절한 냉각 및 인쇄 속도 설정이 중요합니다.
공차 및 치수 정확도: 설계자는 재료 수축을 고려해야 하며, 특히 ABS와 같은 재료의 경우 치수 부정확성과 뒤틀림이 발생할 수 있습니다. 구멍 및 핀과 같은 기능은 원하는 최종 치수를 얻기 위해 디지털 모델에서 조정해야 할 수 있습니다.
4. FFF용 재료
FFF에 대한 재료 선택은 광범위하며 반복적으로 용융 및 고화될 수 있는 능력 때문에 주로 열가소성 수지에 중점을 둡니다.
4.1. 일반적인 필라멘트
폴리락트산(PLA): 옥수수 전분과 같은 재생 가능한 자원에서 파생된 생분해성 열가소성 수지입니다. 사용 편의성, 낮은 뒤틀림 및 다양한 색상 가용성으로 인기가 있지만 다른 엔지니어링 플라스틱에 비해 강도와 내열성이 낮습니다.
아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS): 우수한 강도, 내구성 및 내열성으로 알려져 있습니다. 가열 챔버에서 인쇄하지 않으면 상당한 수축 및 뒤틀림이 발생하므로 PLA보다 인쇄하기가 더 어렵습니다.
폴리아미드(나일론): 높은 강도, 내구성, 유연성 및 내마모성으로 가치가 있습니다. 흡습성이 있으므로 건조한 보관이 필요합니다.
폴리카보네이트(PC): 매우 높은 강도와 내열성을 가진 엔지니어링 플라스틱이지만 뒤틀림을 방지하려면 높은 인쇄 온도와 밀폐된 챔버가 필요합니다.
폴리에테르 에테르 케톤(PEEK): 까다로운 항공 우주 및 의료 응용 분야에 사용되는 뛰어난 기계적 특성 및 열적 안정성을 가진 고성능 슈퍼 폴리머입니다.
4.2. 지지 재료
분리형 지지대: 일반적으로 모델과 동일한 기본 재료로 만들어지지만 제거가 더 쉽도록 덜 조밀한 패턴으로 인쇄됩니다.
수용성 지지대: 폴리비닐 알코올(PVA)과 같은 재료는 물에 용해되므로 수동 제거가 불가능한 복잡한 내부 형상에 이상적입니다.
| 재료 | 주요 특성 | 인쇄 난이도 | 일반적인 응용 분야 |
| PLA | 인쇄가 쉽고, 뒤틀림이 적고, 생분해성이며, 부서지기 쉽습니다. | 쉬움 | 프로토타입, 교육 모델, 기능이 없는 부품 |
| ABS | 질기고, 내구성이 뛰어나고, 내열성이 있으며, 뒤틀림이 발생하기 쉽습니다. | 중간 | 기능성 프로토타입, 인클로저, 자동차 부품 |
| PETG | 강하고, 내구성이 뛰어나며, 우수한 화학적 및 습기 저항성을 갖습니다. | 쉬움 ~ 중간 | 물병, 기계 부품, 식품 용기 |
| 나일론 | 강하고, 유연하며, 내마모성이 있고, 흡습성이 있습니다. | 중간 ~ 어려움 | 기어, 경첩, 도구 |
| TPU/TPE | 유연하고, 탄성이 있으며, 충격 저항성이 있습니다. | 중간 | 가스켓, 웨어러블, 충격 흡수 장치 |
5. FFF의 장점과 제한 사항
5.1. 장점
비용 효율성: FFF 프린터, 특히 데스크탑 모델은 낮은 진입 비용을 갖습니다. 재료 비용도 다른 AM 기술에 비해 상대적으로 낮습니다.
다양한 재료: 특수 속성을 위해 탄소 섬유, 목재 또는 금속 입자가 포함된 복합재를 포함하여 광범위한 열가소성 재료를 사용할 수 있습니다.
사용 편의성 및 안전성: 이 공정은 깨끗하며 고출력 레이저 또는 유해 화학 물질을 사용하지 않으므로 사무실 및 가정 환경에 적합합니다.
신속한 프로토타입 제작: 설계 개념의 신속한 반복 및 시각화를 가능하게 합니다.
5.2. 제한 사항
이방성 기계적 특성: 부품은 레이어 내(X-Y 평면)보다 레이어 간(Z축)에 본질적으로 약합니다.
레이어 라인: 가시적인 레이어 라인은 곡선 표면에 '계단식' 효과를 발생시켜 미학에 영향을 미치고 매끄럽게 하기 위해 후처리가 필요할 수 있습니다.
낮은 해상도 및 정확도: FFF는 일반적으로 스테레오리소그래피(SLA) 또는 선택적 레이저 소결(SLS)과 같은 기술에 비해 치수 정확도 및 기능 해상도가 낮습니다.
느린 빌드 속도: 재료의 점별 증착으로 인해 FFF는 크고 고체 부품의 경우 다른 AM 공정보다 느립니다.
지지 구조의 필요성: 이는 재료 낭비를 증가시키고, 인쇄 시간을 늘리고, 추가 후처리 작업을 필요로 합니다.
6. FFF 기술의 응용
FFF의 다재다능함은 다양한 산업 분야에서 사용할 수 있도록 합니다.
신속한 프로토타입 제작: 가장 전통적인 응용 분야로, 설계자와 엔지니어가 형태, 적합성 및 기능 테스트를 위해 빠르고 저렴하게 물리적 모델을 만들 수 있도록 합니다.
제조 보조 장치: FFF는 조립 라인용 지그, 고정 장치 및 맞춤형 도구를 생산하는 데 사용되어 생산 시간과 비용을 줄일 수 있습니다.
교육: 저렴한 비용과 작동의 단순성으로 인해 FFF는 STEM 교육을 위한 훌륭한 도구이며, 설계 및 엔지니어링에서 창의성과 실습 학습을 촉진합니다.
의료 및 치과: 응용 분야에는 수술 계획을 위한 해부학적 모델, 맞춤형 보철물 및 보조 장치가 포함됩니다.
최종 사용 부품: 고성능 재료 및 최적화된 인쇄 매개변수를 통해 FFF는 특히 항공 우주, 자동차 및 소비재 산업에서 최종 제품의 소량 생산에 점점 더 많이 사용됩니다.
