뒤틀림

뒤틀림을 이해하려면 먼저 출력 온도와 출력 속도를 조금 더 정확하게 봐야 합니다.

보통은 노즐 블록 온도와 헤드 이동 속도로 설명합니다.

하지만 실제 현상에 더 직접적인 값은 아래 두 가지입니다.

• 압출 온도: 플라스틱이 노즐을 빠져나오는 순간의 실제 온도

• 압출 속도: 플라스틱이 노즐에서 나오는 체적 속도 mm³/s

Printing Temperature Extrusion

압출 온도는 다음 방법으로 높일 수 있습니다.

• 노즐 설정 온도를 올립니다.

• 출력 속도를 낮춥니다.

• 레이어 높이를 낮춥니다.

• 가열 구간이 더 긴 노즐 구조를 씁니다.

압출 속도는 다음 방법으로 낮출 수 있습니다.

• 출력 속도를 낮춥니다.

• 레이어 높이를 낮춥니다.

• 압출 폭을 줄입니다.

뒤틀림이 생기는 이유

뒤틀림은 출력물이 베드에서 들리거나, 모서리가 말리거나, 형상이 휘는 현상입니다.

핵심 원인은 출력 과정에서 쌓이는 내부 응력입니다.

FDM에서는 고분자가 작은 노즐 구멍을 강제로 통과합니다.

이 과정에서 고분자 사슬이 늘어나고 정렬되며 응력이 생깁니다.

그 상태로 베드나 이전 레이어에 붙습니다.

원래 이 응력은 시간이 지나며 조금씩 풀려야 합니다.

하지만 온도가 너무 낮아 사슬이 자유롭게 움직이지 못하거나, 베드 또는 레이어 접착이 약하면 응력이 쌓입니다.

그 결과 출력물이 눈에 보일 정도로 변형됩니다.

warping

즉, 뒤틀림과 크랙은 누적 응력이 접착력을 이긴 상태입니다.

이를 줄이는 방법은 크게 세 가지입니다.

1. 응력을 풀 수 있게 충분한 에너지를 준다

응력 방출은 압출 직후 가장 많이 일어납니다.

재료는 뜨거운 상태로 나오고, 이후 Tg 아래로 식습니다.

이 중 Tg 이상인 시간 동안 사슬이 움직이며 응력을 풉니다.

이 시간이 너무 짧으면 평형에 도달하기 전에 굳어 버립니다.

그래서 이 시간을 늘리면 뒤틀림이 줄어듭니다.

방법은 아래와 같습니다.

압출 온도 올리기

실내 또는 챔버 온도 올리기

냉각 속도 낮추기

2. 베드 접착과 층간 접착을 높인다

응력이 쌓이면 출력물은 베드에서 들리거나, 레이어 사이가 벌어지려 합니다.

하지만 접착력이 그 응력보다 강하면 형태를 유지할 수 있습니다.

베드 접착은 적절한 베드 표면과 코팅제로 높일 수 있습니다.

층간 접착은 고분자 사슬의 얽힘으로 이루어집니다.

두 레이어가 모두 Tg 이상에서 충분히 움직일 수 있어야, 서로의 사슬이 얽힐 수 있습니다.

즉, 층간 접착을 높이는 방법도 결국 위 조건과 많이 겹칩니다.

두 레이어가 뜨거운 상태로 맞닿아 있는 시간을 늘려야 합니다.

추가로 압출 폭을 넓혀 접촉 면적을 키우는 것도 도움이 됩니다.

3. 응력 자체를 덜 만든다

가장 근본적인 방법은 응력을 덜 만드는 것입니다.

응력은 재료가 노즐을 통과하며 속도 분포 차이 때문에 늘어나면서 생깁니다.

이 속도 분포를 완만하게 만들면 응력도 줄어듭니다.

방법은 아래와 같습니다.

• 노즐 직경을 키웁니다.

• 압출 속도를 낮춥니다.

• 출력 온도를 올려 점도를 낮춥니다.

• 내부 마찰이 낮은 노즐을 사용합니다.

반결정성 소재는 왜 더 까다로운가

위 설명은 비정질과 반결정성 모두에 적용됩니다.

하지만 반결정성 소재에는 응력 원인이 하나 더 있습니다.

바로 결정화입니다.

출력물이 식으면서 작은 결정이 생기면 더 질서 있는 구조가 됩니다.

이 구조는 공간을 덜 차지하므로 수축을 유발합니다.

그래서 나일론은 베드가 45°C 정도여도 뒤틀릴 수 있습니다.

결정이 너무 빨리 생기면 각 레이어마다 응력이 커지고, 그것이 누적되며 출력물이 변형됩니다.