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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.30 No.7 pp.369-375
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2020.30.7.369

Mechanical Properties of PVB 3D Printed Output Fumigated with Ethanol

Eun-Young Kang1,2, Ji-Ho Lim3, Seunggon Choi3, Jong Wook Mun3, Yu Kyung Lee3, Sun Kon Lee4, Dae-Yong Jeong1,3
1Graduate School of Engineering, Inha University, 100 Inha-ro, Incheon 22212, Republic of Korea
2Daemyoung Technology Co. Ltd, 53-22, Daegotseo-ro 185beon-gil, Daegot-myeon, Gimpo-si, Gyeonggi-do 10043, Republic of Korea
3Department of Materials Science and Engineering, Inha University, 100 Inha-ro, Incheon 22212, Republic of Korea
4Department of Mechanical Engineering, Inha University, 100 Inha-ro, Incheon 22212, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : dyjeong@inha.ac.kr (D.-Y. Jeong, Inha Univ.), sun@inha.ac.kr (S. K. Lee, Inha Univ.)
March 15, 2020 June 19, 2020 July 5, 2020

Abstract


FDM 3D printing structures have rough surfaces and require post-treatment to improve the properties. Fumigation is a representative technique for removing surface unevenness. Surface treatment by fumigation proceeds by dissolving the surface of the protruding structure using a vaporized solvent. In this study, 3D printed PVB outputs are surface-treated with ethyl-alcohol fumigation. As the fumigation time increases, the surface flattens as ethanol dissolves the mountains on the surface of PVB and the surface valleys are filled with dissolved PVB. Through the fumigation process, the mechanical strength tends to decrease, and deformation rate increases. Ethanol vapor permeates into PVB, widening the distance between chains and resulting in weak bonding strength between chains. In order to confirm the effect of fumigation only, an annealing process is performed at 80 oC for 1, 5, 10, 30, and 50 minutes and the results of the fumigation are compared.



에탄올 훈증처리한 3D 프린팅 PVB 출력물의 기계적 특성

강 은영1,2, 임 지호3, 최 승곤3, 문 종욱3, 이 유경3, 이 선곤4, 정 대용1,3
1인하대학교 공학대학원
2(주)대명테크놀로지
3인하대학교 신소재공학과
4인하대학교 기계공학과

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    20011644

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    3D프린터(3D printer)는 재료를 한 층씩 쌓으면서 (layer–by–layer deposition) 원하는 형상을 제작하는 적 층가공(additive manufacturing, AM) 장치이다. 3D 프린 팅 기술은 쾌속 조형(rapid prototyping, RP)에서 유래하 였으나, 최근 그 적용분야가 시제품(prototype)을 벗어나 다양한 용도의 제품 제작까지 확대되고 있다.1-4)

    본 연구에 사용된 FDM(fused deposition modeling) 3D프린터는 대중적으로 널리 보급되어 있는 프린터로 열 가소성(thermoplastic) 폴리머를 고온용융 압출(press out extrude)하여 3차원 형상을 제작하는 장치이다. 재료를 녹 여서 한층 한층 쌓아서 만드는 FDM 3D 프린팅 구조 물은 Fig. 1과 같이 적층 표면에 프린팅 선 간격(line distance), 층간 높이(layer height)에 의한 요철(surface irregularity)로 표면 거칠기(surface roughness)가 크게 나 타나는 구조적인 단점을 지니고 있다.5-7) 따라서 3D 프 린팅으로 제조한 구조물의 표면 거칠기를 줄이기 위한 후가공(post-processing)이 필요하다.

    일반적인 후가공 기법으로 기계적인 마찰 의한 표면 요 철을 제거 방법이 있으나, 이는 많은 노력과 시간이 소 요되는 단점이 있다.8-11) 훈증(fumigation)은 3D 프린팅 폴리머 구조물 표면에 형성된 요철을 기계적인 마찰없 이 제거할 수 있는 대표적인 방법으로 3D 프린팅으로 제조한 구조물의 표면 요철제거 공정으로써 널리 사용 되고 있으며, 과정은 Fig. 2와 같다. 우선 3D 프린팅으 로 제조한 구조물은 폴리머를 용해시킬 수 있는 용매가 있는 챔버 내에 위치시킨다. 용매를 기화시키기 위해 챔 버를 용매 끓는점 이상으로 중탕한다. 챔버 내부 온도 가 용매 끓는점에 도달하게 되면, 챔버 내부는 용매 기 상이 생성되기 시작하며 일정 시간 후 일정량의 증기압 을 가지게 된다. 이때, 증류 장치를 별도로 설치해 내 부 증기압 유지와 용매의 손실을 최소화한다.12) 챔버 내 부에 형성된 기상은 폴리머 구조물과 접촉함과 동시에 액화되며, 폴리머와 반응한다. 폴리머와 반응한 용매 분 자는 폴리머 사슬 사이에 침투하며, 체인 간 거리를 증 가시킨다(Fig. 3). 이때, 폴리머는 겔(gel)화되어 점도가 낮 아지게 되며 중력에 의한 영향을 받아 주저 앉게 되며, 요철이 사라지게 된다. 폴리머가 겔화 되는 양은 챔버 내 용매 기체의 증기압과 기체에 노출되는 시간과 비례한 다. 즉, 챔버가 중탕 되는 온도와 중탕시간이 훈증 공 정에서 가장 중요한 요소라 할 수 있다.13,14)

    훈증 공정에 사용되는 용매는 폴리머를 용해시킬 수 있 는 액체로 선정된다. 폴리머를 용해시킬 수 있는 용매 는 아세톤, 톨루엔, 부탄올 등 인체에 유해한 것들로 구 성되어 있다.15) 이러한 용매는 훈증과정에서 기상 형태 로 호흡기 내부로 침투할 수 있으며 장기간 노출될 경 우, 인체에 악영향을 미칠 수 있어 인체 무해한 용매에 대한 탐색이 필요하다.

    한편, PVB는 FDM 3D 프린팅 적용이 가능한 재료 중 하나로 앞서 언급한 용매 외에 에탄올(ethanol)에서도 용해된다는 특징을 가지고 있지만, 이를 이용해 훈증 공 정을 진행한 연구는 거의 진행되지 않았다. 본 연구에 서는 에탄올을 이용해 PVB 3D 프린팅 구조물 표면 처 리를 진행하였다. 훈증조건에 따른 프린팅 출력물의 표 면 상태, 조도 및 기계적 특성에 미치는 영향을 비교 분 석하였다. 산업용으로 적합한 프린팅 후처리기법(postprocess) 을 제시함으로써 3D 프린팅의 활용 범위 확대에 기여하고자 한다.

    2. 실험 방법

    훈증이 FDM 3D 프린팅 시편 표면에 미치는 영향을 비교 분석하기 위하여 열가소성PVB(polyvinyl butyral) 폴리머를 프린팅 재료로 선정하여 Fig. 4과 같이 ASTMD638 typeIVB으로 디자인 하였다. Table 1에는 시편 3D 프린팅을 위한 조건을 나타내었다. 프린팅 시편의 표면 처리 훈증은 Fig. 5에 나타낸 기구를 이용하여 실시하 였다. 일정한 온도에서 안정적으로 에탄올 증기를 발생 시키기 위해서 에탄올을 담은 용기를 비열이 높은 실리 콘 오일(saehan silichem oil)로 중탕하였다. 시편 훈증에 사용된 용액은 에탄올(95 %, DUKSAN)이며, 실리콘 오 일 온도는 80 °C도로 유지하면서 훈증을 진행하였다. 훈 증 용기 내부의 에탄올 손실을 억제하기 위해 증류 헤 드를 이용하였으며, 이때 냉각수 온도는 18 °C를 유지하 였다. 제작한 시편은 1, 5, 10, 30, 50분 동안 훈증을 실시하였으며, 훈증 후 시편은 상온에서 5일 동안 자연 건조하였다. 시편의 에탄올 훈증 전 후 그리고 훈증 시 간에 따른 표면의 변화상태를 관찰하기 위하여 광학 현 미경(MSP-8000 pro, DIGIBIRD, Korea)을 이용하여 시 편 끝부분을 150배로 확대하여 관찰하였다. 훈증 전 후 그리고 훈증 시간에 따른 시편의 표면의 조도를 관찰하 기 위하여 조도 측정기(SJ-210, Mitutoyo, Japan)를 이용 하였다. ASTM-D638 typeIV B 규격에 따라 인장측정용 시편을 프린팅 제작하였으며, 훈증 전과 훈증 시간에 따 른 시편의 응력-변형률은 만능실험기(UTM 5569, Instron, America)를 이용해 0.1 mm/min 속도로 시편 당 각각 5 회의 인장실험을 실시하여 평균값을 채택하였다. 그리고 동일 규격의 인장 시편을 80 °C에서 1, 5, 10, 30, 50분 간 열처리한 후 동일한 조건으로 인장시험을 진행하였 다. 그리고 훈증 시편과의 인장 결과 비교를 통해 훈증 과 열처리 온도가 시편에 미치는 영향을 고찰하였다. 그 리고 시차주사열량계(DSC404 F1, NETZSCH, Germany)를 이용해 20 ~ 240 °C 온도 구간 열 분석을 진행하였으며, 결 과를 이용해 제작된 시편의 결정화 온도를 확인하였다.

    3. 결과 및 고찰

    Fig. 6은 훈증 시간에 따른 시편을 150배 광학 현미 경으로 관찰한 표면사진이다. 훈증을 통해 모든 시편의 표면에서는 광택이 났으며, 훈증 시간이 증가함에 따라 표면의 요철이 점차 사라지는 것을 확인할 수 있었다. PVB가 용매 증기에 노출되는 시간이 증가함에 따라 PVB 내부 사슬 사이에 침투하는 에탄올 분자의 수가 증 가하기 때문에 나타나는 현상이다. PVB 내부로 침투한 에탄올 분자수가 증가함에 따라 사슬간의 거리가 증가 하며 PVB는 점차 겔(gel)화 되어 점도가 낮아지게 된다. 그 결과, PVB 표면이 에탄올에 녹아 프린팅 선 간격 (line distance) 틈을 메우게 되며, 표면이 평탄해진다. 한 편, 30분 이상 훈증한 시편의 표면에서는 요철이 완벽 히 사라졌으며, 내부에 기포가 포획되어 있는 것을 관 찰할 수 있었다. PVB 내부 기포는 사슬 사이에 있었던 에탄올이 건조과정에서 대기 중으로 확산 중 포획되어 나타난 것으로 보이며, 포획된 기포의 수는 PVB의 점 도 차이에 의해 나타난 것으로 판단된다.

    Table 2는 훈증 시간에 따른 표면조도 값(surface roughness)으로 훈증 시간이 증가함에 따라 표면조도는 큰 폭으로 감소하는 경향을 보였다(훈증 전 조도 → 훈증 후 조도/Ra: 10.687 μm→ 0.971 μm, Rq: 14.553 μm → 0.234 μm, Rz: 65.668 μm→ 0.932 μm). 특히 Rz는 Ra 와 Rq에 비해 급속도로 감소하는 모습을 보이는데, 이 는 유난히 볼록한 형상(convex shape)이나 오목한 형상 (concave shape)이 먼저 사라진다는 것을 의미한다. 한 편, 30분 동안 훈증한 시편의 Rz 측정값이 증가한 것 을(4.001 μm→ 6.477 μm) 확인할 수 있는데 이는 시편 표면에 미세한 기포에 의한 영향으로 판단되며, 이는 훈 증 시간이 50분 간 훈증한 시편의 Rz 결과가 감소하는 것을 (4.001 μm→ 0.932 μm) 통해 추정할 수 있었다.

    Fig. 7에 훈증 전과 후 그리고 훈증 시간대별 인장 시 험의 결과를 나타내었다. 실험결과 시간이 훈증 시간이 경과 할수록 인장강도는 낮아지고 변형율은 증가하는 경 향을 보였다. 훈증 전의 인장강도는 35.2 MPa 였으며, 훈 증 시간이 1, 5, 10, 30, 50분 경과됨에 따라 28.5, 28.4, 20.1, 21.8, 18.9 MPa로 감소하였다. 변형율은 훈 증 전에 (4.28) 비해 훈증 시간이 1, 5, 10, 30, 50분 경과됨에 따라 각각 4.57, 5.74, 8.28, 9.01, 12.77로 증 가하였다. 이는 Fig. 3와 같이 훈증에 의해 에탄올 분자 가 고분자 사슬 사이로 침투하여 고분자 사슬 간의 간 격이 늘어나면서 발생하는 고분자 사슬간의 인력 감소 에 기인한다.12) 멀어진 사슬간 거리는 건조 후에도 유지 되어 폴리머의 인장 강도는 감소하고 연신율은 증가하 게 된다.

    훈증 전과 후의 시간대별 응력-변형률선도에서 재료가 파괴되지 않고 에너지를 흡수하는 용량인 인성계수를 사 다리꼴 수치 적분법을 이용하여 구하였다.16,17) 인성계수 는 시편의 파괴점까지 단위체적당 흡수된 에너지로 응 력-변형률 선도의 아래 전체면적이다. 훈증 시간이 늘어 날수록 인장강도는 낮아지지만 인성은 증가하므로 취성 (brittleness)이 훈증 전 시편이 훈증에 따라 연성 파괴 (ductile fracture)됨을 알 수 있다.

    열처리가 PVB 시편의 기계적 물성에 영향을 미치는 영향을 확인하기 위해 80 °C에서 1, 5, 10, 30, 50분간 시편을 열처리 후 인장시험을 진행하였으며, 이를 Fig. 8에 결과를 나타내었다. 열처리 전 인장강도는 35.2 MPa 였으며, 열처리 시간이 1, 5, 10, 30, 50분 경과됨에 따 라 37.1, 37.6, 37.5, 37.5, 39.1 MPa로 증가하였다. 변 형율은 훈증 전에 (4.28) 비해 열처리 시간이 1, 5, 10, 30, 50분 경과됨에 따라 각각 3.81, 3.61, 3.34, 3.15, 2.98로 감소하였다. 이처럼 열처리 시간이 경과 할수록 인 장강도는 증가하고 변형율은 감소하는 경향을 보였다. Fig. 9에 3D 프린팅으로 제조한 PVB 시편의 DSC 결과를 나 타내었으며, 결과를 통해 결정화 온도가 63.5 °C임을 확 인할 수 있었다. 따라서 열처리에 따른 결과값은 시편의 결정화 과정에 의해 나타난 것임을 추정할 수 있다.18,19)

    훈증 및 열처리 시간이 시편의 인장강도, 연신율에 미 치는 영향을 파악하기 위해 공정 시간에 따른 nomalized tensile stress, nomalized strain 그래프를 Fig. 10(a),(b) 에 나타내었다. 공정 시간이 증가함에 따라 훈증 시편 의 nomalized tensile stress는 0.81, 0.81, 0.57, 0.62, 0.54로 큰 폭(46%)으로 감소하는 경향을 보였으며, 열처 리 시편의 nomalized tensile stress는 1.05, 1.07, 1.07, 1.07, 1.11로 적은 폭(11%)으로 증가하는 경향을 보였다 [Fig. 10(a)]. 한편, 공정 시간이 증가함에 따라 훈증 시 편의 nomalized strain은 1.07, 1.34, 1.93, 2.11, 2.98로 매우 큰 폭(298 %)으로 증가하였으며, 열처리 시편의 nomalized strain은 0.89, 0.84, 0.78, 0.74, 0.70로 적은 폭으로 감소하는 경향을 보였다[Fig. 10(a)]. 이를 통해 시편의 기계적 물성에 미치는 영향은 훈증 효과에 비해 열처리에 의한 효과가 매우 적음을 알 수 있었다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 훈증이 FDM 3D 프린팅 출력물의 인 장강도와 표면 거칠기에 미치는 영향을 실험을 통하여 비교 분석 하였다. 실험 결과 시편 표면에 기포가 발생 하는 30분을 제외하고는 훈증시간이 증가함에 따라 노 즐에 의한 표면 요철이 사라지고 표면이 매끄러워지면 서 광택을 나타냄을 알 수 있었다. 그리고 훈증 시간이 증가함에 따라 PVB 폴리머의 표면이 에탄올에 의해 겔 화 되어 점도가 낮아졌으며, 중력에 의한 영향으로 표 면 거칠기는 감소하였다. 또한 훈증시간이 증가함에 따 라 시편의 인장강도는 감소하였으며 변형율은 증가함을 확인할 수 있었다. 훈증 과정에서 시편에 인가된 온도 의 영향을 확인하기 위해 시편이 훈증에 노출된 조건과 동일하게 80 °C에서 다양한 온도로 열처리를 한 후 인 장 시험을 진행하였다. 그 결과 시편의 인장 강도는 약 간 증가, 변형률은 약간 감소하였으며, 이것은 열처리에 의해 PVB 시편이 결정화되어 나타난 것이다. 훈증을 실 시한 시편과 열처리를 진행한 시편의 기계적 물성을 비 교한 결과 훈증에 의한 기계적 물성변화가 열처리에 의 한 물성변화보다 훨씬 컸으며, 이를 통해 훈증 공정에 서 열처리의 영향은 미비할 것이라고 추정할 수 있었다.

    <저자소개>

    강은영
    ㈜대명테크놀로지 연구소장 임지호
    인하대학교 학생 최승곤
    인하대학교 박사후연구원 문종욱
    인하대학교 학생 이유경
    인하대학교 학생 이선곤
    인하대학교 교수 정대용
    인하대학교 교수

    Acknowledgement

    This work was supported by Ministry of Trade, Industry and Energy (Grant No: 20011644) and Graduate School of Engineering of Inha University.

    Figure

    MRSK-30-7-369_F1.gif

    Surface image of FDM 3D printing output.

    MRSK-30-7-369_F2.gif

    Schematic of fumigation process.

    MRSK-30-7-369_F3.gif

    Schematic of swelling and dissolution of polymers.

    MRSK-30-7-369_F4.gif

    Specific dimension of ASTM-D638 typeIVB.

    MRSK-30-7-369_F5.gif

    Image of ethanol fumigation apparatus.

    MRSK-30-7-369_F6.gif

    Optical microscopic images of specimen surface treated for the various ethanol-fumigation time: (a) 0 min, (b) 1 min, (c) 5 min, (d) 10 min, (e) 30 min, and (f) 50 min.

    MRSK-30-7-369_F7.gif

    Tensile stress-strain curve for the different fumigation time.

    MRSK-30-7-369_F8.gif

    Tensile stress-strain curve for the different annealing time at 80 °C.

    MRSK-30-7-369_F9.gif

    DSC results of 3D-printed PVB specimen.

    MRSK-30-7-369_F10.gif

    (a) Nomalized tensile stress-process time and (b) nomalized strain-process time curve.

    Table

    3D printing conditions.

    Surface roughness for the different fumigation time.

    Reference

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