지금은 특별하지만, 머지않아 보편화될.

PP(Polypropylene, 폴리프로필렌) 소재는 상당히 매력적인 특성을 가진 소재입니다. 일상에서는 주로 식품 생활 용기 제품과 경첩 부품 등에서 많이 찾아 볼 수 있습니다.
질긴느낌이 강한 소재로 인장강도가 높습니다. 압력에 잘 깨지지 않고 구겨지는 느낌이랄까… PP 소재는 3D프린팅에서도 항상 갈구하는 소재입니다. 하지만 사출성형이 아닌 적층가공에서는 여간 까다로운 부분이 한 둘 아닙니다. 하도 궁금해서 자이지스트에서 시중에 있는 PP 필라멘트 세 가지를 사용해 봤습니다.

PP의 일반적 특징

  • 전체적인 물성은 폴리에틸렌(PE)와 유사하나, 스트레스 분쇄특성, 투명성, 항장력 등에 있어 PE보다 우수합니다.
  • 다른 수지에 비해서 비중이 적어 (0.82 ~ 0.92) 물에 뜨기 때문에 가장 가벼운 플라스틱으로 불립니다.
  • 결정성수지로 인장강도, 경도는 결정화도가 높으면 크게 되고, 충격강도는 반대로 떨어지는 경향이 있습니다.
  • 기본 색상은 반투명입니다. (원색은 PE와 같이 불투명한 유백색)
  • 내열성은 약120℃ 정도에서 견딥니다. 낮은 온도에서는 폴리에틸렌보다 잘 부서지며 -5℃이하에서 취화합니다.
  • 경첩성이 우수합니다. (*경첩, Hinge : 경첩처럼 접었다 펼쳤다하는 데 견디는 성질)
  • 전기적 특성이 우수하며 무해합니다.
  • 착색하기 쉽습니다.
  • 표면처리를 하지 않으면 인쇄, 접착이 어려우나 열 용접, 고주파 용접은 가능합니다.
  • 산, 알칼리, 염수, 알코올, 가솔린, 오일 등에 강합니다.
  • 구리(동)와 접촉을 피해야 합니다. 황동(Brass) 인서트 사용 시 동해방지가 된 품종을 사용해야 하는데 그 이유는 구리, 놋쇄, 철 등의 중금속에 접촉해 사용하면 열화(산화열화)가 눈에 띄게 촉진되어 수명이 단축됩니다.
  • 스트레스 크래킹 특성은 폴리에틸렌보다 우수합니다.
  • 가연성으로 매우 잘 탑니다. 밝은 불꽃을 내며 중심부는 푸른빛을 내며, 연소 시 파라핀냄새가 납니다.
  • 위생법에 적합한 식품 위생성을 가지고 있습니다.

위의 기본 특성을 살펴본 후 PP 소재가 3D프린트 기술에서는 사출성형 기술 대비 어떠한 결과적 특성이 있는지 살펴보면 도움이 되리라 생각합니다.

이번 리뷰에서 사용한 PP 필라멘트는 모두 3종입니다.

  • 미국 Gizmodorks 사 PP White
  • 독일 German RepRap 사 PP Black
  • 일본 Nanodax 사 PP+GW Natural

일본 나노닥스 사의 PP에는 GW(Glass wool, 그라스울)이 첨가되어 있습니다. 그라스울은 단열재로 많이 사용되는 유리원료를 고온에서 섬유화한 것으로 이를 PP 소재에 첨가하여 필라멘트를 생산하였습니다. 다른 제조사 PP는 원재료에 색상이 첨가된 것입니다. PP+GW는 순수 PP로 보기에는 어렵지만, 보통의 PP 필라멘트가 갖고 있는 맹점이 얼마나 보완되어 있는지 살펴보시면 좋겠습니다.

사용 환경

하드웨어

  • GermanRepRap X400 Pro v2 : 가열판 및 PP 플레이트 또는 PP 테이프
  • Original Prusa i3 MK2 : 가열판 및 PP 테이프 또는 PE 테이프, 플레이트

소프트웨어

  • SImplify3D
  • Cura 2.3.N

조형판 안착을 돕기 위한 애드온

  • PP 플레이트 : PP필라멘트와 동일한 원료로 만들어진 두께 2mm의 판재. 독일산
  • PP 테이프 : 일반적으로 박스 포장 시에 사용되는 PP 소재의 테이프.
  • PE 플레이트 : PE 소재로 만들어진 두께 3.3mm의 판. PP 플레이트에 비해 단단하고 평탄도가 좋음. 미국산
  • PE 테이프 : 점착력 강한 고급 테이프. 일본산

Gizmodorks PP

조형 중 특징

기즈모독스 PP 필라멘트의 경우, 열수축 문제가 매우 심했습니다. 가열판을 사용하지 않을 시 무엇을 프린트하든 프린트 도중에 조형판 이탈이 반드시 일어났습니다. 출력물 중간층에서도 갈라짐이 적잖히 발견됐습니다. 소형이나 쉘 형식의 모델에만 적합해보입니다.


> 오징어처럼 휘어버린 출력 초반의 모습. 라프트와도 쉽게 떨어졌다.


PP 플레이트 : 베드와 노즐 간격을 이상적으로 맞춘다면 첫 층의 안착은 문제가 없습니다. 간격이 너무 좁으면 노즐 팁이 플레이트를 갉아 흠집이 남고, 너무 멀면 원료가 붙지 않거나 붙어도 잘 떨어집니다. 노즐과 베드의 간격은 운용 능력만 갖춰지면 극복 가능한 부분입니다. 그런데 진짜 문제는 PP 플레이트의 평탄도였습니다. 리뷰에서 사용한 PP 플레이트는 X400 Pro 모델용으로 면적이 넓어 원래 베드를 덮으니 평탄도가 고루 맞지 않았습니다. 심지어 베드를 가열하면 40도만 넘어도 크게 휘어버려 작업이 불가능한 정도였습니다. 다만 좁은 면적 내에서는 필라멘트와 동일 소재이기 때문에 첫 층의 안착은 확실했습니다.


PP 테이프 : PP 테이프 선택시에는 색이 없이 투명 테이프를 사용하는게 좋습니다. 테이프를 조형판에 붙였다가 제거하면 색 테이프는 색상 레이어가 떨어져 나와 굉장히 번거로운 청소 작업을 해야합니다.

동일 소재인 PP 테이프와의 결합력은 아주 좋았으나 테이프의 점착력이 조형물의 수축을 버티지 못 했습니다. 테이프를 여러가지 방법으로 붙이고 꼭꼭 눌러 떨어지지 않도록 노력해봤으나 이탈하지 않았던 적이 없었습니다. 강력한 점착력의 테이프가 필요해보입니다. 문제는 설령 PP 테이프 위에 제대로 조형이 된다고해도, 테이프와 조형물을 분리하기 어렵다는 것입니다. 역시 한 몸이 되어 버립니다.

PE 플레이트 : PE 플레이트는 앞서 PP 플레이트에서 문제가 되었던 평탄도 문제는 없습니다. 단단하고 넓이가 상대적으로 좁아 레벨링은 수월했습니다. 하지만 첫 층 안착이 전혀 이뤄지지 않아 진행이 불가능했습니다.

PE 테이프 : 고정력는 좋았으나 오히려 출력 후 떼어낼 때 테이프 일부가 떨어져 나갈 정도로 강력하게 잡아주어 테이프는 PP테이프와 같이 일회용이 되어버립니다. 모델의 수축으로 인해 가장자리가 약간 뜨긴 하지만 브림이나 라프트로 잡을만한 수준입니다. 출력물 형태에 따라 적층면이 갈라지는 현상이 발견됩니다.

결과물 특징


> Torture Test : Layer Thickness (0.2mm) / Raft (Extra Margin 20mm, Airgap 0.1mm, Top Layers 1) / PP tape
라프트 값 조절로 수축을 최소화한 토쳐 테스트입니다. 라프트를 한 층만 사용하였습니다. 본체 바닥은 약하게 휘었으며 중간에 적층면이 갈라지는 현상이 발견되었습니다. wall과 solid infill의 사이가 붙지 않아 틈이 생겼습니다. 수축이 심해 각진 형태의 모델은 소화하기 어려워보입니다.


> 마빈 : Layer Thickness (0.2mm) / Raft (Extra Margin 20mm, Airgap 0.1mm, Top Layers 1) / PP tape
곡면체인 마빈은 표면의 질감이 ‘석고’ 같은 인상을 줍니다. 푸석푸석하면서 광택이 전혀 없습니다. 고급스러운 느낌이라기 보다는 석재 조형물에서 느껴지는 색감에 좀 더 매끄러운 인상이랄까… 여타 필라멘트 사용으로 흔히 만날 수 있는 느낌은 아닙니다. 토쳐 테스트 모델과는 달리 휨이나 갈라짐은 발견되지 않았습니다. 부피가 작고 주로 곡면이 많다보니 가능했던 것으로 보입니다.

기즈모 독스 PP 필라멘트는 본 리뷰의 필라멘트 중 가장 수축이 심했던 원료입니다. 토쳐 테스트가 안정화 되질 않아 대형 모델은 시도하지 못 했는데요. 크고 각진 모델에는 취약하나 얇고 소형의 곡면 형태에는 강점을 보입니다. 라프트 에어갭을 줄여도 잘 떨어져 라프트를 적극 활용해 안착을 시도 해볼만합니다.


German RepRap PP

조형 중 특징

저먼렙랩 PP 필라멘트 또한 열수축 문제가 유사하게 발생했는데, 조형판 소재가 특히 중요한 부분이었습니다. PP 소재에 대응하기 위해 PP 베드 플레이트가 별도로 제공됩니다. 그런데 PP플레이트는 베드를 가열하면 평탄도를 말하기가 무색할 정도로 많이 휘어버립니다. PP플레이트의 온도는 상온에서만 다뤄야하겠습니다. 그리고 3D프린팅 전용으로 나온 플레이트가 아니기 때문에 상온에서도 평탄도가 좋지 않습니다. 가로 세로 10센치 이하의 좁은 면적에서는 어느정도 소화가 가능하지만 그 이상으로 바닥 면적이 넓어질 수록 첫 층을 깔기란 불가능했습니다.

PP 플레이트 : 기즈모 독스 PP 필라멘트와 유사한 현상이 나타났습니다. 노즐이 베드와 가까우면 원료와 같이 녹아 흠집이 남아 복구가 안 됩니다. 일반적인 원료를 사용할 때의 간격보다 멀어지게 설정해 참사를 예방해야겠습니다.

PP 테이프 : 타 필라멘트는 테이프와 붙어버리는 반면에 저먼렙랩 PP 필라멘트는 테이프에서 분리가 됩니다. 그만큼 고정력이 부족해 떨어질 위험은 있지만 브림이나 라프트로 어느 정도는 커버가 되어 보입니다.
저먼렙랩 PP 필라멘트는 PP 테이프 사용 후 더 큰 조형을 진행해볼 계획입니다. 추가 업데이트 하도록 하겠습니다.


PE 플레이트 : PP플레이트와 비교했을 때 내구성이나 평탄도는 월등하나 원료가 안착되지 않았습니다. 첫 레이어 면적 일부를 채우다가 떨어져서 작업 진행이 불가능했습니다.


PE 테이프 : 안타깝게도 저먼렙랩 PP필라멘트는 PE테이프에 잘 붙지 않았습니다. 첫 층 안착이 완벽히 되지 않았습니다.

결과물 특징


> 마빈 : Layer Thickness (0.2mm) / Raft (Extra Margin 20mm, Airgap 0.1mm, Top Layers 1) / PP tape / GRR X400 V2
마빈 머리의 고리는 쿨링팬이 정비 중인지라, 사용되지 않아 뭉개져버렸습니다.


> 마빈 : Layer Thickness (0.2mm) / Brim (5mm) / PP tape / Prusa i3 MK2
저먼 렙랩 PP필라멘트가 글로시한 특성이 있습니다. 때문에 미끈미끈한 PP테이프 위에서는 퍼스트 레이어가 불안정한 모습을 보였습니다. 앞선 마빈과 달리 쿨리펜이 가동되어 꼭지 표현은 양호하게 이뤄졌습니다.


> 토쳐 테스트 : Layer Thickness (0.2mm) / Brim (5mm) / PP plate / GRR X400 V2
가장 안정적인 안착을 보여줬던 PP플레이트에서의 모습입니다. 일부가 뜨긴 했지만

저먼렙랩 PP 필라멘트는 기즈모독스 PP 필라멘트와 반대로 표면 유광이 강합니다. 실제 촉감도 미끌미끌한 느낌입니다. 덕분에 적층면이 잘 보이기도 하죠. 또한 세 가지 필라멘트 중 저먼렙랩 PP 필라멘트의 강성이 조금 더 단단한 느낌이었으며, 수축력은 기즈모독스와 비슷하거나 조금 덜 했습니다. 최대 장점은 출력물 중간이 갈라지지 않았다는 점인데 첫 층 안착만 해결한다면 장점을 충분히 활용할 수 있지 않을까 싶습니다. 저먼렙랩 PP 필라멘트는 첫 층 안착이 가장 안정적이었던 PP 플레이트의 사용이 최선인데요. 넓은 작업을 원한다면 PP 플레이트의 평탄도 해결과 외풍 차단용 인클로저의 확보가 중요해보입니다.


Nanodax PP+GW

조형 중 특징

일반 PP 소재보다는 열수축 문제가 확실히 낮았습니다만, 조형판에 부착했던 테이프가 조형물에 끌려 올라가는 것으로 보면 수축이 없는 것은 아닙니다. 이를 잡아내기 위해 PE(폴리에틸렌) 소재의 테이프를 사용하였습니다.

PP 필라멘트는 보통 동일 소재의 테이프나 조형판 사용을 권장하는데, 약간의 가열만으로도 온전한 안착을 기대할 수 있기 때문입니다. 하지만 문제는 조형 완료 후 조형판에 완전히 늘러붙어서 떼어내기가 어렵다는 것입니다. 떼어내다가 조형물 자체에 손상이 가는 경우도 있습니다. 때문에 대용으로 PE 소재 테이프가 제안되었는데, 나노닥스 PP+GW의 경우, PP 테이프를 사용했을 때는 테이핑을 프린트 할 때마다 교체해야하는 번거로움에서 해방되었습니다. PE 테이프는 떼어내기도 좋고, 조형판에서 더 오랫동안 사용할 수 있었습니다.

PP 플레이트 : 앞선 실험 결과 평탄도 문제로 진행해보아야 효과가 없다는 판단에 미실시했습니다.

PP 테이프 : 브림 적용 결과 외곽 수축이 강해 본체에까지 영향이 갔습니다. 출력물과 PP테이프는 강하게 결합됐고 PP테이프와 조형판의 점착력이 상대적으로 약하다보니 테이프가 뜰 수 밖에 없었습니다. 라프트 설정값 조절로 이를 예방할 수 있는데요.

PP+GW 필라멘트 사용 시 적용한 Raft 설정 : Extra Margin 20mm / Air gap 0.1mm / Top Layers 1

위와 같은 값으로 장비와 모델 조건에 맞게 조절하면 수축을 최소화할 수 있었습니다. 조형물로부터의 바깥쪽 Margin은 수축을 대신 흡수해주는 역할입니다. Air gap은 라프트 위에 출력물 본체를 고정하기 위해 기본값인 0.3mm에서 0.1mm로 낮췄습니다. Top Layer를 1겹만 하는 이유는 라프트 두께가 두꺼울 수록 라프트 수축이 심해지기 때문입니다.

PE 테이프 : 국내에서는 소량으로 구하기 힘든 PE 테이프입니다. 훨씬 더 넓은 면적의 첫 층 안착이 가능해졌습니다. 사실상 조형판의 최대 범위까지 활용을 가능케 해줍니다. 테이프 자체의 점착력이 아주 강하기 때문에 테이프가 떨어지는 현상은 거의 없었습니다. 아주 약간은 뜨긴 하지만 브림이나 라프트 적용을 하면 문제되지 않을 수준 이었습니다. PP필라멘트와 PE테이프 또한 잘 고정되어 수축에도 내성이 강합니다. PE테이프는 매끈하지 않고 마치 대나무 공예품처럼 얽혀있는 페턴인데요. 찢을 때도 가위나 칼이 필요치 않고 손가락만으로 꺾어 내리면 결을 따라 잘 찢어져 손쉽게 잘라 쓸 수 있어 굉장히 편했습니다. PE테이프는 일회용은 아니고 몇 회 사용할 수 있습니다. 그러나 반복적으로 출력물이 붙었던 자리는 안착력이 줄어들어 여건에 맞게 최대한 자주 교체해주는게 좋겠습니다. PE 테이프는 안착을 돕는 도구로 현재로써는 가장 좋은 파트너로 판단됩니다.


> 복잡하고 넓은 메쉬 구조의 첫 층 안착이 가능해졌다!

PE 플레이트 : 앞선 실험 결과 안착 문제로 진행해보아야 효과가 없다는 판단에 미실시했습니다.

결과물 특징


> 마빈: Layer Thickness (0.2mm) / Raft (Extra Margin 7mm, Airgap 0.1mm, Top Layers 1) / no tape

작은 모델은 테이프 없이도 붙는 경우도 있습니다. 테이프의 잔여 점착제나 조형판의 스크레치 등이 도움이 됐을지도 모릅니다.


> 토쳐 테스트: Layer Thickness (0.2mm) / Raft (Extra Margin 20mm, Airgap 0.1mm, Top Layers 1) / PP tape

라프트가 평평하니 본체가 휜 모습인데요. 라프트 에어갭 조정이 필요해보입니다.



> Planetary gear by ngoodger: Layer Thickness (0.2mm) / Raft (Extra Margin 20mm, Airgap 0.1mm, Top Layers 1) / PP tape

XYZist(@xyzists)님의 공유 게시물님,

난이도가 높은 모델입니다. 모든 기어가 합쳐지지 않고 양호한 모습으로 출력되었습니다. 좌측 하단의 폭이 좁은 부분이 살짝 들렸지만 큰 영향을 끼치진 않았습니다. 영상에서 처럼 작동도 아주 잘 되는 것을 확인할 수 있습니다.



> Ares Mask by Fab365: Layer Thickness (0.2mm) / Raft (Extra Margin 20mm, Airgap 0.1mm, Top Layers 1) / PP tape

복잡한 조형물도 거든히 소화해냈습니다. 갈라진 곳 없이 세부 묘사까지 잘 재현해낸 모습입니다. 매트한 질감 덕분에 적층면이 감춰지는 효과가 나타나서 완된 모습이 꽤 흥미로웠습니다. 가까이 대고 살펴보거나 돋보기 들고 관찰하면 당연히 적층면이 보이긴 합니다.


> 3D Benchy: Layer Thickness (0.2mm) / PE tape

PE테이프 첫 시험물. 흠잡을데 없는 출력물입니다. 직교와 곡면 표현, 오버행 브릿징, 외벽과 내부채움의 연결 등 모든 요소가 안정적이었습니다. PE테이프와의 궁합도 잘 맞아 고정력과 분리성 모두 적절했습니다.


> Mesh by Dugi: Layer Thickness (0.2mm) / PE tape
PE테이프를 믿고 조형판 대부분의 면적을 활용해봤습니다. 중간중간이 빈 메쉬 구조라는 이점도 작용했겠지만 넓은 면적도 조형판 이탈없이 무사히 마쳤습니다.

나노닥스 PP+GW 필라멘트는 글라스울 첨가로 인해 유연성과 내수축성이 상당히 좋았습니다. 무게 또한 손으로 들어봤을 때 바로 느껴질 만큼 가벼웠습니다.
리뷰에서 사용한 필라멘트는 초기 제품이며 후기 제품은 노란 기운이 빠진 하얀색입니다. 매끈한 적층면, 매트한 질감 등 기존의 특성은 그대로 남아있습니다. 게다가 후가공 없이도 도장/도색이 용이하다는 결과가 있는데 이 점 또한 주목할만한 점으로 보입니다.


> 후가공 없이 금장이 입혀진 나노닥스 출력물들 | ©Nanodax


> 최근 변경된 PP+GW 기본 색상 – 약간 녹색빛을 띄던 것에서 보다 순백색에 가까워졌다.


총평

3D프린트 기술이 주목받는 이유는 다양한 소재를 다룰 수 있기 때문이기도 한데, 개인용 3D프린터에서 사용할 수 있는 소재의 폭이 넓어진다는 것은 분명 좋은 일입니다. 이번 리뷰는 첫 층 안착과의 싸움?이 대부분이었지만, 충분히 다룰 수 있을 정도까지 결과를 도출해보니 PP 필라멘트는 분명 매력적인 소재였습니다.

고약한 악취나 무해하다는 느낌도 훨씬 적습니다. 실제로도 무해하죠. 다만 현재 시중에 유통되고 있는 장비만 가지고는 원활하게 다루기엔 무리가 있어보입니다. 쉽게 사용하기 위해 방책이 필요한데, 안착을 도와줄 수 있는 소재의 시트 또는 플레이트 등 입니다. 빌드택 시트에서도 PP 소재는 붙지 않아 처음에 적지 않게 난감했습니다. PC도 붙이는 빌드택인데 말이죠… 확실히 포지션이 남다른 느낌입니다. 또한 PP가 가진 본래의 위생성을 온전히 활용하기 위해선, 하드웨어 또한 위생성을 목표로 구성되고 관리되어진 장비어야할 것 같다는 생각입니다. 예를 들면, 각 필라멘트 사용을 위해 전용으로 준비된 핫엔드가 애드온으로 구성된다든지 하는 등의 방안입니다.

글라스울이 첨가된 PP+GW는 아주 인상적이었는데, 중량감도 가벼우면서 두껍게 적층을 하든, 얇게 하든 적층면이 표면에 드러나지 않는 점과 그 특유의 빛깔은 독특한 작퓸 제작에 활용되어도 좋을 것 같다는 판단입니다.


협찬: 제이엠전자 / (주)한일프로텍

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