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내마모성 재료: 초보자 가이드

적용 분야

3D 프린팅에서 "내마모성”이란 재료가 정상적인 사용 환경에서 반복적인 접촉으로 인해 발생하는 손상에 견딜 수 있는 능력을 말합니다. 마모로 인해 손상이 발생하면 부품 표면이 점차 닳으면서 변형 또는 기형의 원인이 될 수 있습니다.

내마모성이 중요한 이유

마모가 발생하기 쉬운 부품은 결국 기능을 상실해 효율이 떨어지면서 위험한 상황까지 초래할 수 있습니다. 하지만 내마모성 재료로 프린트한 부품은 내구성이 우수하기 때문에 교체 없이 오랜 기간 사용이 가능합니다. 내마모성 외에 재료의 마찰 계수도 고려해야 합니다. 마찰 계수란 임의 물질이 서로 접촉하여 움직이는 재료 또는 물질에게 가하는 저항력을 말합니다. 일반적으로 플라스틱은 마찰 계수가 낮기 때문에 3D 프린팅 내마모성 부품에 가장 적합한 플라스틱 재료입니다.

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내마모성 재료의 일반적인 용도

내마모성 재료는 기계 엔지니어링 분야를 비롯한 자동차 및 전자 산업에 사용되며, 그 밖에 다음과 관련된 부품이나 제품을 생산하는 환경에서도 많이 사용됩니다.

움직이는 부품. 기어, 부싱, 베어링 등 움직이는 부품을 사용하는 응용 분야 또는 공정에서는 부품에서 마모 손상이 일어나기 쉽습니다. 따라서 내마모성 재료가 필수입니다.

툴링. 조립 또는 제조 환경에서 사용되는 내마모성 도구, 지그 및 고정구는 유지보수 횟수를 줄이고 잦은 교체도 피해야 합니다. 그래야만 워크플로가 빠르게 진행되어 비용을 최소화할 수 있기 때문입니다.

최종 사용 부품. 내마모성 재료를 사용해 제작할 경우 부품 수명이 길어지고 내구성도 뛰어나기 때문에 비용 절감 효과가 있습니다.

그 밖에 알아야 할 것

마찰 공학. "마찰 공학"이란 마찰, 윤활, 마모 등 상대 운동에서 표면에 일어나는 과학과 공학을 연구하는 학문을 말합니다. 내마모성을 주제로 토론할 때 흔하게 등장하는 용어입니다.

부품 교체 시기. Ultimaker Cura에는 "외측 벽면 압출기 설정(set outer wall extruder)" 옵션이 있습니다. 이 옵션에서 외측 레이어에 내마모성 재료를 사용하고, 내측 레이어에 PLA 같이 저렴한 재료를 사용해야 한다는 점을 알 수 있습니다. 색상이 다른 재료를 사용하면 부품의 마모 시기를 손쉽게 알 수 있습니다. 한쪽 재료에서 탈색이 시작되면 교체가 필요하다는 것을 나타내기 때문입니다.

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자동차 생산에 사용할 목적으로 3D 프린트된 윈도우 게이지입니다. 사용할수록 점차 닳아 없어지는 검은색 TPU로 제작되어 사용자가 교체 필요성을 알 수 있습니다.

표면 충격 최소화. 부품의 외측 레이어에 TPU 같은 연성 재료를 사용하면 표면 충격을 최소화하여 응력이 작용하는 환경에서도 부품 수명을 늘릴 수 있습니다. 이러한 응용 분야는 아래와 같이 프린트 표면과 유리 병 사이에서 상대 운동 및 마찰이 계속해서 일어나는 Heineken의 병입 공장에서 찾아볼 수 있습니다.

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Heineken의 병입 공장에서는 TPU를 사용해 내마모성 부품을 3D 프린트하기 때문에 유리병과 계속해서 접촉이 일어나도 문제가 되지 않습니다.

유용한 첨가제 사용. 유리나 탄소 같은 첨가제를 사용하면 내마모성 재료의 성능을 개선할 수 있습니다. 또한 고체 윤활제를 사용하면 따로 윤활 처리할 필요가 없기 때문에 마모가 감소하고, 작동 특성이 개선되고, 유지보수에 따른 수고가 크게 줄어드는 등 유리한 이점이 있습니다.

내마모성 재료 파트너

다음은 내마모성 재료를 제공하는 일부 Ultimaker 재료 파트너입니다. Ultimaker Marketplace에서도 자세히 알아볼 수 있습니다.

Igus GmbH

  • Igus iglidur® I150 Tribofilament는 베어링 재료로, 혹은 마모 부품에 사용할 목적으로 개발된 특수 재료입니다. 사용 용이성과 높은 내마모성은 움직임과 마찰이 많은 응용 분야에서 유용한 재료로 사용되는 이유입니다.

  • Igus® iglidur® I180 Tribofilament는 베어링 재료로, 혹은 마모 부품에 사용할 목적으로 개발된 특수 재료입니다. 특히 움직임과 마찰이 많은 응용 분야에서 별도의 윤활 과정이 필요하지 않습니다.

Igus GmbH에서 적층 제조 개발 엔지니어를 맡고 있는 Niklas Eutebach는 "iglidur 재료는 처음에 베어링을 비롯해 움직임에서 마모가 적고 윤활 처리가 필요 없는 구성품에 사용할 목적으로 개발되었습니다. 이 재료를 '모션 플라스틱'이라고 부르는 이유도 여기에 있습니다. 하지만 지금은 회전, 선회, 활주 등 모든 움직임이 작용하는 어셈블리에 사용되고 있습니다."라고 말했습니다.

Jabil

  • PA 4535 CF는 CF가 35%가 함유되어 유사 제품과 비교해 강성, 강도 및 인성이 탁월한 PA 코폴리머입니다. 이 재료는 강도가 40% 향상되었을 뿐만 아니라 연성까지 갖추었고 또한 ESD 용도로도 안전합니다.

Jabil에서 적층 제조 부문 제품 관리 이사를 맡고 있는 Matt Torosian은 "Jabil PA 4535는 드론, 스포츠 장비, 브래킷 등 이전에 필라멘트 형태로 제공되었던 것과 비교해 우수한 강도 및 강성을 요구하는 시장에서 높은 관심을 받고 있습니다. 베이스 폴리머인 PA 4535 CF와 PA 4500 역시 우수한 내마모성과 내마찰성을 요구하는 응용 분야에서 성공을 위한 토대를 쌓고 있습니다. 비틀림 내성, 낮은 수축율, 높은 유동성으로 우수할 뿐만 아니라 Ultimaker 같은 오픈 플랫폼에서 프린트 호환성이 좋은 재료를 개발하겠다는 미네소타 소재 Jabil 재료 혁신 센터의 접근 방식이 이러한 재료들에 그대로 반영되어 있습니다."라고 설명했습니다.

LEHVOSS Group

  • LUVOCOM 3F PAHT® CF 9891 BK는 고온에서도 잘 견디는 폴리아미드계 탄소 섬유 강화 재료입니다. 따라서 강도와 강성이 높을 뿐만 아니라 수분 흡수를 최소화합니다.

  • LUVOCOM 3F PAHT® 9825 NT는 고온에서도 잘 견디는 폴리아미드계 재료입니다. 따라서 PA6의 강도를 유지하면서도 프린트 적합성을 전혀 떨어뜨리지 않습니다.

LEHVOSS Group에서 3D 프린팅 재료 책임자를 맡고 있는 Thomas Collet은 "재료의 마모 및 마찰 성능은 마찰 공학적 체계, 다시 말해서 속도, 압력, 온도, 표면 거칠기 등에 따라 결정됩니다. 우리가 마찰 공학에 관심을 갖는 이유도 바로 여기에 있습니다."라고 강조했습니다.

Ensinger GmbH 

  • PA6 GF30은 유리 섬유가 30% 보강된 폴리아미드로 제조되었으며, 상품명은 TECAFIL PA6 GF30 Black입니다. 보강되지 않은 폴리아미드 6와 비교하여 강도, 강성, 크리프 강도 및 치수 안정성이 더욱 뛰어납니다.

Ensinger GmBH의 제품 개발 책임자인 Dilara Yüce는 "3D 프린팅 분야에서 고강도의 중요성이 점차 커지고 있습니다. 처음에는 설계에 초점을 맞추는 구성품들이 많았지만 기계적 속성의 중요성이 커지면서 이제는 생산 단계에서 최종 사용 부품에 초점을 맞추는 경우가 늘고 있습니다. 내마모성 PA 6 GF 30 재료는 높은 치수 안정성과 우수한 내열성을 보장합니다. 효과적인 프린트 적합성에 중점을 두고 있다면 우수한 내마모성을 항상 염두에 두어야 합니다."라고 말했습니다.

Ultimaker의 내마모성 재료 파트너에 대해 자세히 알아보고 싶으십니까? Ultimaker Marketplace의 내마모성 재료 페이지를 방문하십시오.

내마모성 재료와 호환되는 Ultimaker의 3D 프린터 제품군도 찾아볼 수 있습니다.

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