The deposition strength in FDM type 3D printing-manufactured specimen and the bulk and weldline strength in a specimen prepared by injection molding using fossil PCs and bio-based PCs were measured and compared. In the injection molded specimen, weldline strength and fracture elongation increased with increasing processing temperature. As for the results of the deposition direction tensile test, deposition strength and variation for fracture elongation in the 3D printing-manufactured specimen were marginal with an increase in processing temperature. On the other hand, the orthogonal to deposition direction tensile test revealed that both deposition strength and fracture elongation were proportional to processing temperature. The ratio of weldline strength and the strength in the orthogonal to deposition direction, which presented the lowest strength value in the 3D printing-manufactured specimen, was equivalent to 62.78% and 25.81% in fossil PCs and bio-based PCs, respectively. The ratio of strength in the deposition direction and orthogonal to deposition direction in the 3D printing-manufactured specimen was 69.97% and 51.52% in fossil PCs and bio-based PCs, respectively.
Keywords: fossil PC, bio-based PC, fused deposition modeling (FDM), 3D printing, deposition strength. 서 론 석유 화학산업의 각종 유해물질 배출에 대한 부정적 이미 지와 더불어 미래 사회의 석유 생산 및 수급에 대한 불확실 성으로 최근에 들어 biomass를 기반으로 한 소재의 관심 및 활용이 증가하고 있다. 1-5 이러한 요구에 따라 2012년 Mitsubishi Chemical은 biomass를 기반으로 한 폴리카보네이 트(polycarbonate, PC)를 공개하였다. 6 기존 석유자원 기반을 한 fossil PC는 bisphenol-A(BPA)이라 불리는 유해물질을 포 함하고 있지만 이와 다르게 bio-based PC는 옥수수 전분에서 추출한 isosorbide를 기반으로 합성되어 유해물질을 포함하고 있지 않아 친환경적 소재라고 할 수 있다. 7 한편, 적층 성형 † 박성제 · 박정현 · 류민영 · 구명술 · 노형진 · 조성환 폴리머, 제41권 제3호, 2017년 (additive manufacturing, AM)이라 불리는 3D 프린팅은 기존 절삭 가공이나 몰딩에서는 구현할 수 없는 복잡한 형상의 제 작이 간편하고 단기간에 제작할 수 있다는 장점으로 최근 제 조산업에 큰 혁신을 불러 일으키고 있다. 8,9 이러한 장점을 바 탕으로 3D 프린팅은 시제품 제작 용도를 넘어 의료, 우주 항 공, 의류, 건축, 자동차 산업 등 매우 다양한 분야에서 활용 되고 있다. 10-15 이러한 3D 프린팅은 제조 방식에 따라 binder jetting, directed energy deposition, material extrusion, material jetting, powder bed fusion, sheet lamination 그리고 vat photopolymerization 등으로 분류되고 있다. 15-17 이 중 material extrusion에 해당하는 FDM(fused deposition modeling) 방식 은 필라멘트 형태의 열가소성 고분자 소재를 열로 용융시켜 노즐을 통해 압출하여 한 층씩 적층하는 방식으로 조작이 간 편하고 다양한 재료의 적용이 가능하여 가장 대중적으로 활 용되고 있다. 17 이러한 FDM 방식 3D 프린팅의 연구 분야는 적층물의 기 계적 물성, 변형, 휨, 표면조도, 치수정밀도, 용융 필라멘트의 압출 현상, 히팅부 및 적층물의 온도 해석, 그리고 노즐에서 용융 필라멘트의 분출 직경 해석 등 매우 다양하다. 18-26 FDM 방식 3D 프린팅의 조형물은 Figure 1과 같이 한 layer 씩 적 층 해나가는 비연속적 공정 특성으로 인하여 bulk 소재에 대 비하여 낮은 강도를 보인다. 27 FDM 방식 3D 프린팅 조형물 의 기계적 물성은 조형물의 다양한 활용을 위해서 반드시 향 상되어야 할 부분이다. 3D 프린팅에서 다양한 재료와 다양한 공정 변수를 바탕으로 적층 강도 향상에 대한 연구는 현재 활발히 진행되고 있으며 적층물의 강도에 영향을 주는 요소 는 적층물의 fill density, 재료의 flow rate, 적층방향 그리고 공정 온도 등이 있다. 18-20,26,27 따라서 이러한 변수를 바탕으로 FDM 방식 3D 프린팅에서 다양한 재료별 최대 적층강도 수 준을 찾는 것은 매우 중요하다. 하지만, 이전의 연구에서는 다양한 변수에 따라 강도 향상에 대한 연구는 많이 진행되었 으나 3D 프린팅 방식 조형물이 나타낼 수 있는 최대 적층강 도의 기준을 제시하는 연구는 진행되어 있지 않은 상황이다. FDM 방식 3D 프린팅 조형물이 나타낼 수 있는 최대의 적층 강도는 사출성형에서의 weldline 강도이다. Weldline은 Figure 2와 같이 캐비티 내에서 진행 방향이 다른 수지가 ...
