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미육군 연구소, 저가의 FFF방식 3D프린터로 고성능 출력물 제작 연구
2020-05-22 11:54:49

 

<이미지 : 미육군 웹사이트>

 

미육군 연구소(US Army)는 저가의 FFF방식 데스크탑 3D프린터로 사출성형한 ABS와 비견한 만한 연성(ductility)과 일반 ABS소재 출력물보다 15배 이상의 파괴 인성(fracture toughness)을 가진 출력물을 제작하는 방식에 대한 논문을 발표하였고, 상업화를 위한 파트너를 찾고있다고 합니다.

 

저가의 3D 프린터로 생산된 부품은 강도와 ​​인성이 충분하지 않아서 현재까지 군용 부품을 재공급하는 데 사용할 수 없었습니다. 미 육군의 신소재는 이러한 결함을 극복하여 병사들이 저가의 프린터로 출력한 출력물을 몇 시간 동안 열에 노출시키면 현장의 거친 작업을 견딜 수있을 정도로 견고한 기계적 특성을 지닌 부품을 만들 수 있다고 합니다.

신흥 복합 소재 팀을 이끌고 미 육군 전투 능력 개발 사령부의 육군 연구 실험실에서 솔저 재료의 연구 분야 리더로 일하고있는 Eric D. Wetzel 박사는 이 혁신적인 기술은 군인이 원정지에서 제조하는 것에 중요한 진전이라고 말했습니다.

“육군은 물리적 부품 대신 디지털 부품 파일을 운반하여 물류를 단순화하기 위해 현장에서 부품을 출력할 수 있기를 원하지만 현재까지 고강도 부품을 생산하는 기술은 실용적이지 않았습니다. 이런 작업을 할 수 있는 3D프린터들은 너무 크고 에너지를 많이 사용하고, 정교하여 초보자가 사용하기 어렵고, 소재는 특수한 저장장치가 필요할  수 있습니다.” 라고 Wetzel 박사는 말했습니다. 이 기술을 통해 육군은 저렴하고 간단한 프린터를 사용하여 고품질 부품을 생산할 수 있습니다.

 

 

<이미지 : 미육군 웹사이트>

 

 

안쪽에 별모양의 PC(폴리 카보네이트) 소재와 바깥부분은 ABS 소재인 이중 재료(DM, Dual Material) 필라멘트는 새로운 열연 신 공정을 사용했습니다.

이 DM 필라멘트를 사용하여 기존 FFF방식의 데스크탑 3D프린터에서 출력물을 출력합니다.

이 부품에 ABS와 PC의 *유리 전이 온도 사이의 중간 **어닐링 온도를 적용하면 사출성형한 ABS와 비견한 만한 연성(ductility)과 일반 ABS소재 출력물보다 15배 이상의 파괴 인성(fracture toughness)을 가진 출력물이 됩닏.

 

* 유리전이온도(Glass Transition Temperature, Tg) : 고분자의 물질이 온도에 의해 분자들이 활성을 가지며, 움직이기 시작하는 온도.
** 어닐링(Annealing) : 재료를 고온으로 장시간 유지시킨 후 서서히 냉각하는 열처리. 주로, 기계적 물성치를 변경하여 연성을 증가시키고 경도를 낮추고 가공성을 높이는 공정임.

 

 

 

진행중인 실험에서 육군의 연구팀은 새로운 재료, 출력 조건 및 어닐링 프로토콜을 실험하여 기계적 특성을 더욱 향상시키고 처리 시간을 단축하려는 노력을 한다고 합니다.  그들의 목표는 현재 24-48 시간이 소요되는 어닐링 시간을 4 시간 이하로 줄이는 것이라고 합니다. 연구소는 이 기술에 대해 여러 가지 특허 출원을 제출했으며, 이 기술의 개발을 가속화하기 위해 추가적인 파트너를 찾고 있다고 합니다.

 

이 연구는 월간 과학저널인 Advanced Engineering Materials의 4 월호 표지에 소개되기도 했습니다.

 

 

<3DGURU Opinion>

FFF방식의 데스크탑 3D프린터로 출력한 출력물의 강도는 사출성형 제품과 비교하여 약합니다. 또한, X,Y,Z축 방향의 등방성(isotropic)이 성립되지 않죠. Z축 방향으로 강도와 같은 기계적 물성이 다른축에 비해 약하죠. 특히, 군용 부품과 같이 험한 환경에서 사용되는 것이라면 이 부분은 더욱 중요해질 것입니다. 

또한, 군대의 경우는 보급품 받기가 어렵거나 오랜 시간이 걸리는 원격지 근무나 전투같은 상황을 쉽게 가정해볼 수 있습니다. 이러한 원격지에서 부품 부족 또는 고장이 났을 경우, 현지에서 3D프린팅으로 몇 시간이 걸리더라도 부품을 제조할 수 있다면 매력적일 것입니다. 이러한 연구들이 미육군 연구소에서 진행중이고, 관련된 기사가 나왔습니다.

일반적인 3D프린팅 과정과 다른 부분은, 별모양의 PC소재와 외곽의 ABS 소재를 혼합하여 사용하는 이중 소재와 출력후에 어닐링 프로세스인 듯 싶습니다. 

PC는 플라스틱 소재중에 가장 단단한 플라스틱중에 하나이며, ABS 는 잘 아시는 대로 가장 대중적으로 사용되는 소재입니다. ABS소재에 강도를 높이기 위해 PC를 혼합한 PCABS 필라멘트는 이미 시중에서 판매되고 있습니다. 이 연구에서 사용하는 PC/ABS 이중소재와 시중에서 판매되고 있는 PCABS 소재와의 차이점이 있을 수 있겠지만, 완전히 새로운 아이디어는 아닙니다. 출력물의 강도를 높이기 위한 것이니까요.

어닐링 과정을 통해서 3D프린터로 출력한 출력물의 기계적인 물성이 드라마틱하게 향상된다는 것일텐데요. 소요시간을 줄여야 하는 숙제가 남아있는 것 같습니다. 

시제품용이 아니라, 최종제품으로 제대로 사용되기 위해 풀어야 할 숙제중에 하나가 3D프린팅 출력물의 강도와 같은 기계적인 물성인데, 이 세계 어디선가는 이러한 도전적인 요소들을 극복하기 위해 계속 노력하고 있네요. 저희 3D그루는 이러한 도전과 시도를 응원하고, 멋진 솔루션이 나오길 기대해봅니다.

 

참고) 미육군 웹사이트 , Advanced Engineering Materials

 

이상입니다. -3D그루-

 

 

 

 

 

 

 

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