Recently, 3D printing has obtained increasing attention, and extended its application from the traditional rapid prototyping to direct fabrication of functional parts. To be used as the direct fabrication process, however, 3D printing should overcome drawbacks due to its lamination process: low dimensional accuracy, long fabrication time and degeneration of mechanical properties along the lamination direction. This degeneration along the lamination direction results in anisotropic mechanical properties, which prevents appropriate prediction of structural safety of the 3D-printed parts. This study investigated mechanical properties of 3D-printed parts using a mask-projection type (digital light processing; DLP) 3D printer by comparing tensile test results for the specimens that were printed along horizontal and vertical directions. By analyzing experimental results, appropriate printing conditions could be obtained to satisfy high mechanical strength and stiffness as well as to maintain mechanical properties within isotropic range.

최근 3차원 프린팅 기술에 대한 많은 관심이 고조되고 있으며, 기존의 빠른 시제품 제작 용도에서 기능성 제품의 직접 제작으로 활용 범위를 넓히고 있다. 그러나 제품의 직접 제조에 활용되기 위해서는 적층 공정에 기반한 3차원 프린팅의 단점(낮은 형상정밀도, 긴 제작시간, 적층 방향으로의 기계적 물성 저하)을 극복해야 한다. 이중 적층 방향으로의 물성 저하는 제품의 이방성을 야기시키고, 결과적으로 3차원 프린팅으로 제작된 제품의 구조적 안전성을 적절히 예상하기 어렵게 만든다. 본 연구에서는 마스크 전사방식 광조형 프린터(DLP)로 각각 수평방향과 수직방향으로 제작한 조형물의 인장시험을 통해 기계적 물성을 고찰하고 조형조건에 따른 이방성의 차이를 비교하였다. 또한 실험결과의 분석을 통해 적절한 강도와 강성을 보장하면서도 등방성을 유지할 수 있는 조형조건을 획득하였다.

Keywords: 3D printing, additive manufacturing, digital light processing (DLP), photo-polymerization, anisotropy

최근 3차원 프린팅 기술이 급격하게 발전됨에 따라 기존의 시작품을 신속하게 제조하는 기능(rapid prototyping; RP)을 넘어서서 제품을 직접 제조하는 적층제조(additive manufacturing; AM) 기술로 영역을 넓히고 있다.¹ 3차원 프린팅은 2차원 단면을 적층하여 3차원 입체형상을 제작하는 기술로, 기존의 공법으로는 불가능했던 복잡한 기능성 형상의 제작이 가능한 장점이 있는 반면 적층방향의 기계적 물성이 저하되는 단점이 있으며, 이러한 적층방향의 물성 저하는 분말재료를 사용한 금속 프린팅 공정보다는 고분자 수지를 사용한 프린팅 공정에서 더 두드러지는 것으로 알려져 있다.²
고분자 재료를 사용한 3차원 프린팅 공정은 크게 열가소성 수지를 사용한 공정과 광경화성 수지를 사용한 공정으로 구분된다. 열가소성 수지를 사용한 대표적인 공정은 압출적층형(material extrusion; ME) 혹은 FDM(fused deposition modeling; FDM) 방식으로 알려져 있으며, 필라멘트 형태의 열가소성고분자를 미세 노즐을 통해 압출하여 적층하는 방식이다.³ 반면, 광경화성 수지를 사용한 공정은 액상의 광경화 수지에 자외선을 선택적으로 조사하여 원하는 영역을 경화시켜 적층하는 형태로 프린팅이 수행되며, 광조형 혹은 광중합형(photo-polymerization; PP) 방식으로 명명된다.⁴ 광조형 방식은 일반적으로 적층두께가 20~50 μm 수준으로 적층두께가 100 μm 이상인 압출적층형 프린팅 방식에 비해 조형물의 형상정밀도 및 표면조도가 우수한 장점이 있는 반면, 사용 재료가 광경화성 수지로 제한됨에 따라 다양한 엔지니어링 플라스틱의 사용이 가능한 압출적층형 방식에 비해 제품의 기능성이 제한되는 단점이 있다.
광중합형 프린팅 방식은 광원의 방식에 따라 레이저 주사를 통해 원하는 영역을 경화시키는 레이저 주사(laser scanning) 방식과 마스크를 통해 원하는 영역에 자외선을 선택적으로 조사하는 마스크 전사(mask projection) 방식으로 구분된다.⁵ 일반적으로 레이저 주사 방식의 경우 3D systems사에 의해 최초로 상용화된 SLA(stereolithography apparatus)방식으로 통칭되며, 마스크 전사 방식은 다중 미세 반사경(digital micromirror device; DMD)을 사용하여 원하는 영역에 선택적으로 UV를 조사해주는 방법으로 DLP(digital light processing) 방식으로 통칭된다.⁶
고분자 재료를 사용한 3차원 프린팅 방식 출력물을 대상으로 방향별 물성을 분석하기 위한 연구가 수행되었다. 일반적으로 FDM 방식에서는 두께방향(적층방향)의 기계적 강도가 면내방향의 50% 수준으로 나타나 이방성이 큰 것으로 보고된 반면,^7-9 SLA 방식에서는 두께방향의 강도가 면내방향과 유사한 수준으로 나타났다.^10-12 이는 SLA 방식의 경우 레이저 주사에 의해 경화가 발생되는 점을 감안할 때 면내 방향으로도 주사 경로에 따른 강도 저하가 발생하였기 때문으로 분석된다. 한편, DLP 방식의 프린터에서도 조형방향에 따라 탄성계수와 인장강도가 차이가 발생하는 것으로 나타났으며,¹³ 적절한 후경화를 수행할 경우 탄성계수의 이방성이 상당부분 완화되는 것으로 보고되었다.¹⁴
본 연구에서는 마스크 전사방식, 즉 DLP 방식의 3차원 프린터로 제작한 조형물에 대한 기계적 물성(탄성계수, 인장강도)의 변화를 고찰하고자 한다. DLP 방식은 SLA 방식과 달리 선(line) 단위의 경화가 아닌 면(face) 단위의 경화 방식을 사용하는 관계로 조형 시간이 빠른 것으로 알려져 있는 반면, 픽셀 기반의 광조사에 의한 면내 방향의 이방성이 발생하는 것으로 예상된다. 본 연구에서는 조형조건 및 후경화 조건의 변화에 따른 방향별 물성변화에 대한 연구를 수행하여 이방성에 대한 경향을 고찰하고, 이를 통해 높은 품질을 얻을 수 있는 프린팅 조건을 제시하고자 한다.