3D 프린터 베드 온도에 대해서 알아보자

 # 3D 프린터 베드 온도의 비밀 : 유리 전이 온도

유리 전이 (Glass Transition)는 재료가 단단한 유리질 상태(Glassy State)에서 점성이 있지만 유연한 상태로(또는 그 역으로) 전이되는 현상을 뜻합니다.

유리전이온도를 지나면서 단단하던 분자들은 조금씩 움직일 수 있는 고무상태(Rubbery State)가 됩니다.

3D 프린팅 소재 제조 업체에서 제공하는 특성표 (TDS, Technical Data Sheet)를 확인해보시면 해당 소재의 여러가지 물성치를 확인할 수 있습니다.

그 중 최대 인장강도, 탄성계수, 파단신율 등은 첫번째 시간에 응력-변형율 곡선에서 알아보았습니다.

이번 시간에는 또다른 물성치 중 하나인 유리 전이 온도에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 유리 전이 온도(Glass Transition Temperature)

유리 전이는 재료가 단단한 유리질 상태(Glassy state)에서 점성이 있지만 유연한 상태로(또는 그 역으로) 전이되는 현상을 뜻합니다.

예를 들어 딱딱했던 카라멜 사탕이 입 안에서 쫄깃쫄깃한 식감으로 변하거나,

유리공예 장인이 뜨겁게 달궈져 연해진 유리를 입으로 불어 멋진 모양을 만들 때 어느 순간 단단한 형태로 변하는 모습,

한겨울에 플라스틱 물체를 실외에 두었더니 금이 가거나 부서지는 현상은 모두 유리전이가 일어난 것입니다.

 2. 유리 전이 온도와 녹는점

고체 상태의 결정질 물질이 열을 받으면 분자내 에너지가 증가하다가 어느 온도에 이르면 열이 분자간의 결합을 깨면서 액체로 변하는 상변이가 일어납니다.

이 온도가 용융 온도이고 이 녹는점에서는 고체상과 액체상이 평형상태로 존재합니다.

그러나 비결정질 물질의 경우는 분자간의 결정을 깨는 과정이 없고 단지 분자간의 거리가 점점 느슨해질 뿐입니다.

유리전이온도를 지나면서 단단하던 분자들은 조금씩 움직일 수 있는 고무상태(Rubbery State)가 됩니다.

순수한 비결정체의 유리전이 및 순수한 결정체의 상전이

3. 비결정질(Noncrystalline)구조와 순수 결정질(Crystalline) 폴리머 (Polymer)

비결정질 구조를 가진 각 폴리머는 고유한 유리전이온도를 가지고 있습니다.

폴리머의 분자가 복잡할수록, 분자량이 클수록 유리전이온도는 증가하리라는 건 쉽게 짐작할 수 있습니다.

예를 들어 PLA와 ABS를 비교해 보면 분자식이 각각 PLA [-C(CH3)HC(=O)O-]n, ABS [(C8H8)x(C4H6)y(C3H3N)z]로 ABS가 훨씬 복잡한 분자구조를 가지고 있습니다.

두 물질의 유리전이온도는 각각 60℃, 105℃입니다.

순수한 결정질 폴리머에는 유리전이온도가 없습니다.

비결정질 폴리머와 반결정질(Semicrystalline) 폴리머만이 이러한 특성을 보입니다.

순수한 비결정질 폴리머는 유리전이온도만 가지고 있습니다.

예를 들어 ABS는 그 특성에 용융온도가 표시되지 않습니다. PLA의 경우에는 약간의 결정도를 가지고 있고 제품에 따라 반결정질로 분류되기도 하며 이 경우 용융온도가 표시되기도 합니다.

 

4. 3D 프린팅에서 유리 전이 온도의 의미

지금까지 유리 전이 온도에 대해 자세히 알아봤습니다.

그럼 3D 프린팅에서 유리 전이 온도가 갖는 의미는 무엇일까요?

예를들어 3D 프린터를 통해 출력하려는 부품이 70℃ 환경에서 사용된다고 가정해봅시다.

동일한 모델을 PLA로 출력한다면 사용환경에서 부품은 고무상태로 변하여 제대로 된 강도를 유지하지 못할것입니다.

따라서 이런 경우에는 ABS 소재를 사용하여 출력해야합니다.

3D 프린터를 많이 사용해 보신 독자분들은 출력 소재들의 유리 전이 온도와 출력시 베드 온도가 비슷하다는 것을 눈치 채셨을 겁니다.

<유리 전이 온도의 약 70~80%인 베드온도>

소재	ABS	PLA
유리 전이 온도	105℃	60℃
베드 온도 (일반적)	80℃	50℃

 

베드 온도를 유리 전이 온도에 가깝게 유지하는 이유는 다음과 같습니다.

용융된 소재가 베드 플레이트에 도포됐을때 급작스럽게 식어버리지 않고 다음 레이어 (Layer)와 잘 결합하여 출력 성공율을 높일 수 있습니다.

또한 첫번째 레이어가 들뜨는 현상 (Warping)을 방지 할 수 있습니다.

 

지금까지 3D 프린팅 소재의 물성치 중 하나인 유리 전이 온도에 대해 알아봤습니다.

제작하려는 부품이 몇도씨 환경에서 작동하는지 분석하여 소재의 유리 전이 온도를 파악하고 올바른 소재로 선택하는데 도움이 되길 바랍니다.