적층 제조를 위한 설계(DfAM) 분야의 재료 엔지니어들 사이에서는 적층 제조된 열가소성 수지가 사출 성형 제품보다 본질적으로 열등하다는 가정이 오랫동안 이어져 왔습니다. 기존의 용융 필라멘트 제조(FFF)에서는 부품이 이방성 기계적 특성을 보이는 경우가 많으며, 수직(ZX) 축은 수평(XY) 빌드 평면 강도의 일부에 불과한 강도를 나타냅니다.

Orion AM은 열 공정을 발전시켜 이러한 한계에 대한 솔루션을 설계하며, 이러한 약점이 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 이와 유사한 초고온 폴리머의 본질적인 한계가 아님을 입증하고 있습니다. 이는 오히려 적층 중 최적화되지 않은 열 이력의 결과입니다.

PEEK에 대한 정밀한 열 이력 제어를 구현함으로써, 적층 제조 시스템은 3D 프린팅 부품에서 사출 성형 수준의 강도를 달성하고, 빌드 플레이트에서 바로 높은 상대 밀도와 등방성에 근접한 기계적 성능을 구현할 수 있습니다.

열 이력 제어 & 폴리머 물리학

PEEK는 용융점 343°C, 유리 전이 온도 143°C의 반결정성 열가소성 수지입니다. 높은 인장 강도, 강성 및 내화학성을 포함한 기계적 성능은 결정 구조의 형성과 배향에 크게 좌우됩니다.

표준 프린팅 시스템에서 반결정성 폴리머를 가공할 때, 적층된 각 비드의 열 이력은 단절됩니다:

1. 압출 및 급속 냉각: 용융된 폴리머는 380° C 이상의 온도로 노즐을 빠져나와 즉시 더 차가운 주변 공기와 만납니다.
2. 층간 온도 차이: 다음 비드가 적층되기 전에 하부 층의 표면 온도가 유리 전이점 아래로 떨어지면, 경계를 넘는 폴리머 사슬의 확산이 중단됩니다.
3. 미세 공극 형성: 불완전한 분자 얽힘은 층 사이의 틈과 층 내부의 기공을 생성하여, 87%에서 95% 사이의 상대 밀도와 하중 시 심각한 Z축 박리를 초래합니다.

사출 성형과 구조적으로 동등한 수준을 달성하려면, 계면이 분자 상호 확산과 균일한 결정화를 위한 최적의 열역학적 상태를 유지하도록 폴리머의 열 이력을 관리해야 합니다.

인시투 결정화: 후처리 어닐링의 제거

기존 공정 워크플로에서 출력된 PEEK 부품은 결정화를 유도하고 내부 응력을 완화하기 위해 퍼니스 어닐링과 같은 2차 후처리를 거치는 경우가 많습니다. 그러나 출력 후 열처리는 전체 결정화도를 높일 수는 있지만, 적층 중 이미 구조 내에 고착된 내부 공극이나 미세 기공을 제거하거나 복구할 수는 없다는 연구 결과가 있습니다. 그리고 가장 중요한 점은, 어닐링으로는 출력 중 제대로 융합되지 않은 층 사이의 층간 접합을 개선할 수 없다는 것입니다. 

최적의 층간 강도를 확보하려면 PEEK 3D 프린팅의 인시투 결정화가 빌드 중에 동적으로 이루어져야 합니다. Orion AM의 독자적인 열복사 가열(TRH) 공정은 분리된 다중 구역 열 아키텍처를 통해 이를 실현합니다:

• 고온 제어: 최대 315° C로 작동하는 밀폐형 빌드 챔버(최대 320° C의 히팅 베드 제어 포함)가 환경 평형을 유지하여 조기 열수축을 방지합니다.
• 집속 가열: 출력된 각 층을 이상적인 융합 온도로 가열하여 다음 층과의 접합을 향상시킵니다.

전체적인 형상 안정성을 위한 비집속 열복사와 정밀 집속 가열을 결합함으로써, 폴리머 사슬은 적층 중 층 경계를 넘어 결정화하기에 충분한 열에너지를 유지합니다. 이를 통해 출력 중 층 사이 및 층 내부에서 인시투 반결정화가 가능해지며, 출력 후 어닐링 단계가 필요하지 않습니다

실증 사례 연구: Solvay KetaSpire® PEEK의 기계적 성능 

이러한 열 이력 제어의 기계적 결과를 평가하기 위해, Orion AM의 TRH 시스템으로 가공한 상용 Syensqo(구 Solvay) KetaSpire® PEEK에 대해 독립적인 제3자 시험을 실시했습니다.

1. 밀도 및 기공률

마이크로 CT 스캔과 아르키메데스 밀도 측정을 통해 TRH로 출력한 PEEK 부품이 최대 99.95%의 상대 밀도를 달성함이 확인되었습니다. 내부 공극이 거의 완전히 제거되어 사출 성형된 고체 소재에 필적하는 균질한 내부 구조가 형성됩니다.

2. 인장 강도 및 등방성

표준 방향에 대한 인장 평가 결과, 복사 가열을 통해 수직 Z축 접합 강도가 기준 사출 성형 참고값과 동등하거나 이를 초과하는 것으로 나타났습니다:

데이터: Orion AM TRH 공정을 통한 Solvay KetaSpire® PEEK 제3자 시험.

수직(ZX) 방향으로 출력된 Syensqo(Solvay) KetaSpire® PEEK는 95.4 MPa의 극한 인장 강도를 달성하여 표준 사출 성형의 기준값 91.0 MPa를 넘어섰습니다. 층간 접합 강도가 압출된 폴리머 가닥 고유의 강도에 근접하므로, 기계적 성능은 출력 방향이나 채움 각도와 사실상 무관해집니다

결론

3D 프린팅 폴리머가 성형 부품보다 본질적으로 약하다는 가정은 PEEK 및 유사 소재의 재료적 한계가 아니라 기존 주변 가열 방식의 열역학적 한계를 반영한 것입니다. 표적 열복사 가열로 폴리머의 열 이력을 관리함으로써, 적층 시스템은 최대 99.95%의 상대 밀도, 인시투 반결정화, 그리고 사출 성형 기준치를 충족하거나 초과하는 수직 방향 인장 특성을 달성할 수 있습니다.