요약:융합 필라멘트 제조 (Fused Filament Fabrication, FFF) 는 합성 제조 (additive manufacturing, AM) 과정으로, 녹은 열탄화물질을 층별로 선택적으로 퇴적하여 3차원 물체를 만든다.이 가이드에서는 FFF 기술에 대한 상세한 검토를 제공합니다., 그 기본 원칙, 공정 변형, 설계 고려 사항, 재료, 후처리 기술 및 다양한 응용 프로그램을 포함합니다.공학자들에게 권위 있는 참고 자료로 사용되는데, 디자이너와 제조업체가 이 널리 접근 가능한 제조 기술을 이해하고 활용하고자 합니다.
1융합 필라멘트 제조에 대한 소개
융합 필라멘트 제조 (FFF)또한 일반적으로 융합 퇴적 모델링 (FDM) 으로도 알려져 있습니다. Stratasys가 상표로 등록한 용어입니다. 오늘날 가장 보편적이고 접근 가능한 첨가 제조 기술 중 하나입니다.FFF의 핵심 원칙은 열탄화 필라멘트를 녹는 지점까지 가열하고 제어 된 패턴으로 노즐을 통해 압출하여 물체의 층을 층으로 만드는 것입니다.이 기술은 더 넓은 범주인 재료 진압 첨가 제조에 속합니다., ASTM 인터내셔널에 의해 정의됩니다.
FFF의 역사는 1980년대 후반에 S. 스콧 크럼프 박사가 발명하고 특허를 취득한 FDM과 얽혀있다.주요 특허의 만료와 오픈 소스 RepRap (Replicating Rapid Prototyper) 프로젝트의 상승에 따라, 이 기술은 대중에게 광범위하게 사용 가능해졌으며, 이를 통해 "융합 필라멘트 제조" 또는 "융합 필라멘트 제조 (FFF) "라는 동의어를 채택했습니다.이러한 민주화는 혁신을 촉진시켰고, 취미인과 전문가 모두에게 가장 인기 있고 저렴한 3D 프린팅 방법 중 하나로 삼았습니다..
FFF는 작동의 단순성, 광범위한 재료 선택, 프로토타입 제작 및 소량 생산에 대한 비용 효율성으로 구별됩니다.그 잠재력을 완전히 이해하려면 그 과정 메커니즘에 깊은 몰입이 필요합니다., 설계의 제약, 그리고 그 능력을 계속 확장하는 지속적인 발전.
2FFF 프로세스: 단계별 분해
FFF 프로세스는 체계적으로 세 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다: 사전 처리, 인쇄 및 후처리.
2.1전처리 (디지털 준비)
이 단계는 디지털 모델을 인쇄하기 위해 준비하는 것을 포함합니다. 일반적으로 STL 또는 OBJ 파일 형식으로 3D 모델을 만드는 것으로 시작합니다.삼각형의 망을 사용하여 객체의 외부 기하학을 나타내는이 모델은 슬라이싱 소프트웨어에 가져옵니다. 소프트웨어는 3D 모델을 얇은 수평층으로 (일반적으로 0.05 ~ 0.3 mm 두께) 잘라 G 코드를 생성합니다.프린터의 움직임을 지시하는 명령어 집합, 모델 및 필요한 지원 구조, 인쇄 온도 및 인쇄 속도 모두에 대한 도구 경로 포함됩니다.
2.2인쇄 (제조 과정)
실제 인쇄 과정은 G-코드 지침을 정확하게 따릅니다.
필라멘트 공급: 일반적으로 스풀에 부착된 고형 열탄화 필라멘트는 드라이브 기어 메커니즘에 의해 프린터의 엑스트루더 집합체에 공급됩니다.
가열 및 녹음: 필라멘트는 가열 된 노즐 (또는 액화기) 로 통과하여 유리 전환 온도보다 약간 높은 반 액체 상태로 가열됩니다.
추출 및 퇴적: 녹은 물질은 얇은 노즐을 통해 압력됩니다. (지름은 일반적으로 0.2에서 0.8mm) 로 현재 계층에 정의 된 도구 경로를 따라 구축 플랫폼에 저장됩니다..
레이어 통합: 진압 된 물질은 접촉 시 이전에 퇴적 된 층과 융합하여 냉각을 통해 굳어집니다.빌드 플랫폼은 한 층 높이로 낮아집니다 (또는 인쇄 머리 상승), 이 과정은 객체가 완성될 때까지 반복됩니다.
2.3후처리
인쇄 후 여러 단계가 필요할 수 있습니다.
지원 제거: 윗부분 또는 복잡한 기하학이있는 모델의 경우 지원 구조는 분리 된, 종종 물에 녹는 또는 분해되는 물질을 사용하여 동시에 인쇄됩니다.인쇄가 완료 된 후 수동으로 제거하거나 용액에 녹여야합니다..
표면 마감: 부품은 미적 또는 기능을 개선하기 위해 마감을 받을 수 있습니다. 기술에는 썰매, 닦기, 가공 및 페인트 등이 있습니다.또는 레이어 라인의 가시성을 줄이기 위해 기증으로 화학적으로 부드럽게.
3FFF에 대한 중요한 설계 고려 사항
FFF를 위한 부품 설계는 인쇄 가능성과 기능을 보장하기 위해 프로세스의 기능과 한계를 이해하는 것이 필요합니다.
레이어 높이: 이것은 인쇄물의 수직 해상도를 결정합니다. 더 작은 레이어 높이는 부드러운 수직 표면을 생성하지만 인쇄 시간을 증가시킵니다.
방향: 부품의 구성판에 대한 방향은 강도, 표면 품질 및 지원 필요성에 중대한 영향을 미칩니다. FFF 부품의 anisotropic 성격으로 인해그들은 일반적으로 층 퇴적 방향 (X-Y 평면) 을 따라 가장 강하고 수직 (Z) 방향으로 가장 약합니다. 층 간 결합이 잠재적 인 실패 지점이기 때문입니다..
지원 구조: 특정 각도 (일반적으로 45도 이상) 너머에 솟아있는 특징은 지원이 필요합니다.튀어나오는 것을 최소화 하거나 자기 지지각을 포함 하는 설계는 재료 사용량 을 줄이고 후처리 효율성 을 향상 시킬 수 있다.
벽과 충전: 외부 둘레 (벽) 는 부품의 껍질을 정의하고, 내부 충전 패턴 (예를 들어, 그리드, 꿀집) 은 내부 구조를 제공합니다.충전 밀도 (부품 내부의 고체 물질의 비율) 는 균형 강도에 따라 조정 할 수 있습니다., 무게, 재료 사용, 인쇄 시간
브리딩: FFF는 브리딩으로 알려진 기법을 사용하여 밑바닥 물질 없이 두 개의 수직 지원 장치 사이의 팽창을 인쇄할 수 있습니다. 적절한 냉각 및 인쇄 속도 설정은 성공적인 브리딩에 매우 중요합니다.
허용량 및 차원 정확성: 설계자는 특히 ABS와 같은 재료의 재료 수축을 고려해야합니다. 이는 차원 부정확성과 변형으로 이어질 수 있습니다.구멍과 핀과 같은 특징은 원하는 최종 차원을 달성하기 위해 디지털 모델에서 조정해야 할 수 있습니다..
4FFF에 필요한 재료
FFF를 위한 재료 선택은 광범위하며 열 플라스틱을 중심으로 반복적으로 녹이고 굳어질 수 있기 때문입니다.
4.1일반 필라멘트
폴리 락틱산 (PLA): 옥수수amid 등 재생 가능한 자원으로부터 파생된 생분해 가능한 열 플라스틱이다. 사용 편의성, 변형이 낮은, 그리고 넓은 색상 사용 가능성으로 인기가 있습니다.하지만 다른 공학 플라스틱에 비해 강도와 열 저항성이 낮습니다..
아크릴 니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS): 강한 성질, 내구성, 열 저항성 등으로 유명하다.가열된 방에서 인쇄하지 않으면 상당한 수축과 변형으로 PLA보다 인쇄하기가 더 어렵습니다..
폴리아마이드 (나일론): 높은 강도, 내구성, 유연성, 가려지기 저항성 으로 평가 됩니다. 위경 관측성 이므로 건조 보관 을 필요로 합니다.
폴리카보네이트 (PC): 매우 강한 강도와 열 저항성을 가진 공학 플라스틱이지만, 고도의 인쇄 온도와 굽어지는 것을 방지하기 위해 폐쇄된 챔버가 필요합니다.
폴리에더 에터 케톤 (PEEK): 뛰어난 기계적 특성과 열 안정성을 가진 고성능 슈퍼 폴리머로, 까다로운 항공우주 및 의료 응용 분야에 사용됩니다.
4.2지원자료
브레이카웨이 지원: 일반적으로 모델과 동일한 기본 재료로 만들어졌지만 더 쉽게 제거하기 위해 더 밀도가 낮은 패턴으로 인쇄되었습니다.
물에 녹는 지원: 폴리바이닐 알코올 (PVA) 같은 재료는 물에 녹아있어 수동 제거가 불가능한 복잡한 내부 기하학에 이상적입니다.
| 소재 | 주요 특성 | 인쇄 의 어려움 | 일반 응용 프로그램 |
| PLA | 인쇄하기 쉬우며, 워크가 낮고, 생분해 가능하며, 깨지기 쉽다. | 가볍게 | 프로토타입, 교육 모델, 비기능 부품 |
| ABS | 단단하고 내구성 있고, 열에 내성이 있고, | 중간 | 기능형 프로토 타입, 장치, 자동차 부품 |
| PETG | 강하고 내구성 있고 화학물질과 습도에 잘 저항합니다. | 가볍고 중등 | 물병, 기계 부품, 식품용 용기 |
| 나일론 | 강하고 유연하고, 가려움증에 저항하며, 수소경 | 중형에서 단단한 | 기어, 힌지, 도구 |
| TPU/TPE | 유연하고 탄력적이며 충격에 저항합니다. | 중간 | 가스켓, 웨어러블, 충격 흡수기 |
5FFF의 장점과 한계
5.1장점
비용 효율성: FFF 프린터, 특히 데스크톱 모델은 낮은 입시 비용을 가지고 있습니다. 재료 비용은 다른 AM 기술에 비해 상대적으로 낮습니다.
재료 다양성: 탄소 섬유, 목재, 금속 입자 를 가진 복합 물질 을 포함하여 다양한 열 플라스틱 물질 이 있다.
사용 편리성 및 안전성: 이 과정은 깨끗하고 고전력 레이저나 독성 화학물질이 사용되지 않기 때문에 사무실과 가정 환경에도 적합합니다.
빠른 프로토타입 제작: 설계 개념의 빠른 반복 및 시각화를 가능하게 합니다.
5.2제한
안이소트로프 기계적 특성: 부품은 층 (Z축) 사이에 층 (X-Y 평면) 내보다 본질적으로 약합니다.
레이어 라인: 가시적인 레이어 라인은 곡선 표면에 "다다리 단계" 효과를 초래하며 이는 미학에 영향을 미치고 부드럽게 처리 할 필요가 있습니다.
낮은 해상도와 정확성: FFF는 일반적으로 스테레오 리토그래피 (SLA) 또는 선택 레이저 시너링 (SLS) 과 같은 기술에 비해 낮은 차원 정확성과 특징 해상도를 가지고 있습니다.
느린 제작 속도: 재료의 점적 퇴적은 FFF를 크고 단단한 부품에 대한 다른 AM 프로세스보다 느리게 만듭니다.
지원 구조의 필요성: 이것은 재료 낭비를 증가시키고 인쇄 시간을 증가시키고 추가 후 처리 노동을 필요로합니다.
6FFF 기술의 응용
FFF의 다재다능성 때문에 다양한 산업에서 사용할 수 있습니다.
급속 프로토타입: 가장 전통적인 응용 프로그램으로 설계자와 엔지니어가 형태, 적합성 및 기능 테스트를 위해 물리적 모델을 빠르고 저렴하게 만들 수 있습니다.
제조 보조제품: FFF는 생산 시간과 비용을 줄일 수 있는 조립 라인을 위한 조그, 고정 장치 및 사용자 지정 도구를 생산하는 데 사용됩니다.
교육: 저렴한 비용과 간단한 운영으로 FFF는 STEM 교육의 우수한 도구로 디자인과 공학 분야에서 창의성과 실제 학습을 촉진합니다.
의료 및 치과: 응용 분야는 수술 계획, 맞춤형 인공지능 및 보조 장치에 대한 해부학적 모델이 포함됩니다.
최종 사용 부품: 고성능 재료와 최적화된 인쇄 매개 변수로, FFF는 특히 항공, 자동차,그리고 소비재 산업.
