3D 프린팅 소재 중 열가소성 플라스틱에 대해 알아보자

# 3D 프린팅 소재 중 열가소성 플라스틱의 성능 피라미드에 대해서 알아보자

열가소성 플라스틱 (thermosoftening plastic)

열가소성 플라스틱은 thermoplastic 또는 thermosoftening plastic 라고 하며,열을 가하면 부드럽고 말랑해지고, 냉각되면 단단해지는 성질을 가지고 있습니다.

열가소성 플라스틱은 최대 사용 가능 온도에 따라 표준, 엔지니어링, 고성능 플라스틱으로 분류됩니다.

각 그룹에는 어떤 폴리머가 있으며 어떤 용도에서 사용될까요?

무엇이 온도의 특성을 결정할까요?

플라스틱 성능 피라미드

열가소성 플라스틱은 가열하면 부드러워지고 냉각되면 단단해지는 성질을 가진 폴리머로 현대 산업을 이끌어 가는 중심 재료 중 하나입니다.
이러한 플라스틱은 최고 사용 온도를 기준으로 표준 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱, 고성능 플라스틱으로 분류할 수 있습니다. 주의할 것은 이 분류는 사용자에게 재료 선택에 도움이 될 수 있도록 편의를 위한 것이지 절대적인 등급 나누기는 아닙니다.
이번에는 각 그룹 별 플라스틱의 특성과 어떤 응용 분야에 적합한 지 살펴보겠습니다.

일반 또는 범용(commodity) 플라스틱이라고도 불리며 사용 온도가 100℃보다 낮은 플라스틱입니다. 열에 약한만큼 내화학성, 기계적 강도도 낮으나 대량 생산이 쉽고 저렴하여 가장 널리 그리고 가장 많이 사용되는 재료입니다.
PLA, PETG, ABS 등이 대표적인 표준 플라스틱입니다. 앞서 말했듯이 범용 플라스틱에 포함된다고 해서 절대 엔지니어링 재료가 될 수 없다는 것은 아닙니다. 실제로 ABS, PETG 등은 관점에 따라 엔지니어링 그룹에 포함되기도 합니다.

100℃ 이상의 온도에서도 오랫동안 사용 가능한 플라스틱으로 기계적 강도, 내충격성, 내마모성과 내화학성이 우수합니다.
엔지니어링 플라스틱은 매우 광범위한 응용 분야를 가지며 주로 내구성 있는 소비재와 자동차, 전자, 기계 등의 산업에 사용됩니다. 항공우주와 같은 고급 산업에도 사용되며 가볍고 부식이 없기 때문에 금속으로 만들어진 부품을 대체하기도 합니다.
나일론(PA), 아세탈, 폴리카보네이트(PC)가 이 그룹에 포함됩니다.

고온 플라스틱이라고도 하며 온도가 150℃ 이상에서 사용 가능한 플라스틱으로 매우 우수한 기계적 특성, 내화학성, 내방사선성, 난연성 및 전기적 특성을 포함하여 많은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 동시에 가격 역시 다른 그룹의 플라스틱보다 매우 높습니다.
고성능 플라스틱은 군사, 항공 우주, 항공 우주, 자동차, 에너지 및 기타 산업에서 기존 금속이나 세라믹을 대체할 수 있습니다. 또한 화학적 안정성과 고압증기 멸균에 대한 내성으로 인해 의료용 임플란트에도 적합합니다.
이 그룹에는 PEI(ULTEM), PEEK, PEKK, PSU 등이 있습니다.

고온에서 사용 가능한 플라스틱의 분자구조를 보면 일반적으로 방향족 고리를 가지고 있습니다. 방향족 고리는 여섯 개의 탄소 사이의 거리가 동일한 공명 구조로 이루어져 고리 내에 이중결합이 실제로는 없기 때문에 반응성이 낮습니다. 이에 더해서 아래 그림에서 보듯 방향족 구조의 사슬을 끊으려면 두 개의 화학적 연결을 끊어야 합니다. 사슬 구조의 분자의 화학적 연결을 끊는 것보다 훨씬 높은 에너지가 필요한 것을 알 수 있습니다.

방향족 및 사슬 형태 폴리머의 분해

고성능 폴리머와 범용 폴리머의 분자구조 예

표준 플라스틱은 3D 인쇄가 비교적 쉽고 보급형 모델을 포함하여 대부분의 표준 FFF 3D 프린터에서 사용 가능합니다. PLA, ABS, PETG 필라멘트는 저렴한 가격에 쉽게 구할 수 있고 여러 산업 분야에서 프로토타입 인쇄에 사용됩니다.
엔지니어링 플라스틱은 전문 FFF 3D 프린터가 요구되며 밀폐된 빌드 챔버와 더 높은 처리 온도가 필요합니다.
고성능 플라스틱의 인쇄를 위해서는 400℃에 가까운 온도에서 압출이 필요합니다. 노즐과 챔버, 빌드 플레이트는 고온용으로 설계되어야 하며 특히 PEEK와 같은 반결정성 재료의 경우 인쇄에 더 많은 주의가 필요합니다.
각 구간의 재료들은 탄소, 유리, 케블라 등의 첨가물을 포함하는 복합 필라멘트로 만들 수도 있습니다. 이런 복합 필라멘트는 사용온도를 크게 올리지 않고도 인쇄물의 성능을 향상시킵니다. 고성능 플라스틱인 PEEK의 경우도 탄소섬유로 충전된 제품이 나오는 등 지금도 더 우수한 성능의 소재, 더 좋은 성능의 FFF 3D 프린팅을 위한 노력은 계속되고 있습니다.