기어 재료 선택하기: 고려해야 할 필수 요소
엔지니어링에서 올바른 기어 소재를 선택하는 것이 중요한 이유는 무엇일까요? 적절한 소재를 선택하면 기어가 내마모성, 내구성 및 효율성과 같은 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이 문서에서는 다양한 기어 소재에 대해 살펴봅니다.
빛이 어떻게 액체를 거의 순식간에 고체로 바꿀 수 있는지 궁금한 적이 있나요? 3D 프린팅에서 의료 기기에 이르기까지 모든 분야에 사용되는 감광성 수지는 자외선에 노출되면 화학적 변화를 겪습니다. 이 글에서는 감광성 수지의 종류와 구성, 그리고 혁신으로 인해 어떻게 더 안전하고 효율적으로 변하는지에 대해 살펴봅니다. 이 매혹적인 소재의 과학적 원리를 이해하고 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 활용되고 있는 감광성 수지에 대해 자세히 알아보세요.
감광성 수지는 특정 광선에 노출되면 광개시제에 의해 촉진되어 단량체 또는 올리고머 염기가 경화되는 화학적 중합 또는 가교 작용을 하는 수지를 말합니다. 일반적으로 다양한 유형의 광선 중에서 자외선(UV) 방사선은 화학 중합 반응에 필요한 활성화 에너지에 가장 가까운 에너지를 가지고 있습니다.
따라서 감광성 수지는 일반적으로 자외선을 사용하여 경화되며 흔히 자외선 감광성 수지, 자외선 경화성 수지, 그림자 없는 자외선 접착제, 포토레지스트 등으로 불립니다. 감광성 수지 제품마다 구성 성분이 다르며 일반적으로 250-400nm 사이의 특정 파장에 반응합니다.
자외선은 조직과 세포에 손상을 입힐 수 있는 유해한 빛이며, 공기와 반응할 때 발생하는 오존도 수술 환경에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 연구자들은 가시광선이나 청색광 아래에서 경화되는 감광성 수지를 연구하고 있으며, 청색광 감광성 수지에 대한 발명 특허가 발표되고 있습니다.
감광성 수지는 주로 감광성 프리폴리머, 광개시제(또는 감광제), 희석제로 구성됩니다.
올리고머라고도 하는 감광성 프리폴리머는 일반적으로 분자량이 1000-5000인 광경화 가능한 저분자량 프리폴리머입니다. 감광성 수지 재료의 기본 재료로 사용되며 궁극적인 성능을 결정하는 결정적인 요소입니다.
감광성 프리폴리머의 주요 유형에는 아크릴레이트 개질 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르, 폴리우레탄 및 티올-엔 광경화 수지 시스템이 있습니다.
광개시제와 감광제는 모두 경화 과정에서 중합의 시작을 촉진하지만 크게 다릅니다. 광개시제는 빛 에너지를 흡수하여 자유 라디칼이나 양이온과 같은 활성 종을 생성하여 반응에 참여하며, 이 과정에서 소모됩니다. 감광제는 촉매처럼 작용하여 에너지를 소비하지 않고 전달합니다.
광개시제는 개시 메커니즘에 따라 자유 라디칼 유형, 양이온 유형, 하이브리드 유형(두 가지 메커니즘이 모두 포함된 유형)의 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다. 대표적인 자유 라디칼 광개시제는 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-1-프로파논(CAS-1173)이며, 일반적인 양이온성 광개시제로는 페로세늄과 요오드늄 염이 있습니다.
감광제의 메커니즘에는 에너지 전달, 수소 추상화 및 전하 전달 복합체 형성이 포함됩니다. 주요 감광제로는 벤조인, 미클러 케톤, 티옥산톤 및 벤조페논 유도체가 있습니다.
반응성 희석제는 주로 에폭시 수지의 경화 반응에 참여할 수 있는 에폭시 그룹을 포함하는 저분자량 에폭시 화합물을 말하며, 경화된 에폭시의 가교 네트워크 구조의 일부가 됩니다.
분자당 반응성 작용기의 수에 따라 반응성 희석제는 단기능성, 이기능성, 다기능성 희석제로 분류할 수 있습니다.
스티렌(St), N-비닐 피롤리돈(NVP), 비닐 아세테이트(VA), 부틸 아크릴레이트(BA), 2-에틸헥실 아크릴레이트(EHA), 히드록시에틸(메트)아크릴레이트(HEA, HEMA, HPA) 등 단기능성 희석제의 예가 이에 해당합니다; 1,6-헥산디올 디아크릴레이트(HDDA), 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트(TPGDA), 네오펜틸 글리콜 디아크릴레이트(NPGDA)와 같은 다기능 희석제, 다기능 희석제 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(TMPTA) 등의 희석제.
일반적으로 희석제의 작용기 수가 많을수록 광중합 속도가 빨라지고 가교 정도가 높아지며 경도와 내마모성이 좋아지지만 수축률이 커집니다. 작용기의 종류는 주로 아크릴로일록시, 메타크릴로일록시, 비닐, 알릴 등이 있으며, 광중합 반응성은 아크릴로일록시 > 메타크릴로일록시 > 비닐 > 알릴 순으로 감소합니다.
조사에 의해 생성된 활성화 에너지는 감광성 프리폴리머(단량체 또는 올리고머)의 C=C 결합을 끊어 작용기를 형성할 수 있습니다. 동시에 광개시제의 라디칼이 앞서 언급한 작용기와 화학적 중합 또는 가교 반응을 거치도록 유도할 수 있습니다.
결과적으로 수지 매트릭스의 작은 분자 사슬은 그림 4-63에 표시된 것처럼 더 큰 분자 사슬 또는 3차원 네트워크 분자 사슬로 짜여집니다. 따라서 수지는 액체에서 고체 상태로 전환됩니다. 산소는 일반적으로 대부분의 감광성 수지 매트릭스에서 앞서 언급한 중합 또는 가교 반응을 방해한다는 점에 유의해야 합니다.
CLIP 공정은 이러한 특성을 효과적으로 활용하여 수지가 통에 경화되는 것을 방지합니다.
감광성 수지는 다양한 분류 방법에 따라 여러 유형으로 분류할 수 있습니다.
감광성 수지는 사용하는 용매에 따라 용매 기반과 수성 카테고리로 나눌 수 있습니다. 솔벤트 기반 감광성 수지는 소수성이므로 물이 아닌 유기 용매에만 녹을 수 있습니다.
일반적인 용제 기반 감광성 수지에는 UV 폴리에테르 아크릴레이트가 있습니다. 수성 감광성 수지는 물에 분해되거나 분산될 수 있는 친수성 수지입니다. 이러한 수지에는 특정 수의 친수성 그룹과 불포화 그룹이 포함되어 있어 수성 폴리우레탄 아크릴레이트와 같이 수성 감광성 수지를 친수성으로 만듭니다.
투명 포토폴리머 레진: 이 레진은 자연적으로 투명하며 반투명 또는 완전 투명 마감으로 연마할 수 있습니다. 주로 다양한 제품의 시각적 및 구조적 검증에 사용되며, 매우 섬세하고 비용 효율적인 표면 마감을 가능하게 합니다.
단색 포토폴리머 수지: 수지의 자연스러운 색상은 단색이며 표면을 연마, 도장 또는 전기 도금할 수 있습니다. 주로 제품의 구조 검증에 사용되며, 최고의 비용 효율성으로 매우 미세한 표면 마감을 구현할 수 있습니다.
고온 광폴리머 수지: 수지의 자연스러운 색상은 고체이며 주로 일정 수준의 고온 저항성이 필요한 제품에 사용됩니다. 표준 포토폴리머보다 약간 높은 최대 100~110°C의 온도를 견딜 수 있습니다.
고인성 포토폴리머 수지: 일반적으로 황록색을 띠는 이 수지는 표준 포토폴리머보다 약간 높은 인성을 가지고 있어 약간의 구부러짐을 허용합니다.
데스크톱 3D 프린터 영역에서는 현재 가격과 범용성 측면에서 FDM(용융 증착 모델링) 프린터가 우위를 차지하며 국내외에서 폭넓은 인기를 얻고 있습니다.
그러나 더 높은 정밀도와 더 나은 표면 디테일이 필요한 경우 저비용 광조형(SLA) 및 디지털 광원 처리(DLP) 3D 프린터가 확실한 이점을 제공합니다. 경제적인 SLA 및 DLP 3D 프린터의 가용성이 높아지면서 광폴리머 재료 기술의 발전이 가속화되고 있습니다.
범용 레진: 초기에는 3D 프린팅 레진 제조업체가 독점 재료를 판매했지만 시장 수요가 증가함에 따라 MadeSolid, MakerJuice, Spot-A 등 수많은 레진 제조업체가 등장했습니다. 초기에 데스크톱용 레진은 색상과 성능이 제한적이었으며, 일반적으로 노란색과 투명한 소재만 사용할 수 있었습니다.
최근에는 주황색, 녹색, 빨간색, 노란색, 파란색, 흰색 등으로 색상 옵션이 확장되었습니다.
경질 레진: 데스크톱 3D 프린터에 사용되는 광폴리머 수지는 깨지기 쉽고 균열이 생기기 쉽습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 기업이 보다 견고하고 내구성이 뛰어난 레진을 생산하기 시작했습니다.
예를 들어 폼랩스는 강도와 연신율 사이의 균형을 이루는 새로운 터프 레진 소재를 도입하여 3D 프린팅 프로토타입의 충격 저항성과 강도를 향상시켰습니다. 이는 정밀 부품이나 스냅핏 커넥터의 프로토타입에 특히 유용합니다.
인베스트먼트 주조용 캐스터블 레진: 기존의 인베스트먼트 주조 공정은 복잡하고 시간이 오래 걸릴 수 있으며, 금형의 제약으로 인해 디자인의 자유도가 제한되는 경우가 많습니다. 이는 왁스 모델에 금형을 제작할 필요가 없는 3D 프린팅 왁스 패턴과 비교할 때 특히 그렇습니다.
캐스터블 레진은 팽창이 적고 주조 과정에서 폴리머를 완전히 연소시켜야 완벽한 최종 제품 모양을 만들 수 있으며, 플라스틱 잔여물이 남아 있으면 주조에 결함이나 변형이 발생할 수 있습니다. 스프린트레이와 같은 장비 제조업체와 펀투두와 같은 특수 소재 생산업체에서 이러한 수지를 제공합니다.
국내 기업인 수청 테크놀로지도 인베스트먼트 주조용 CA 수지를 출시했습니다. 그림 4-64는 이 유형의 수지로 제작된 몇 가지 인베스트먼트 주조 모델을 보여줍니다.
플렉시블 레진: 연성 수지 제조업체로는 Formlabs, FSL3D, Spot-A, Carbon, Su-Cheng Technology 등이 있습니다. 이러한 수지는 중간 정도의 경도를 가지며 내마모성이 뛰어나고 반복적으로 늘릴 수 있습니다. 이 소재는 힌지, 마찰 장치 및 반복적인 연신이 필요한 부품에 사용됩니다. 그림 4-65는 연성 수지로 만든 모델을 보여줍니다.
탄성수지는 고강도 압출과 반복적인 장력 하에서 우수한 탄성을 나타내는 소재입니다. 폼랩스의 플렉시블 레진은 매우 부드러운 고무와 같은 소재로 얇게 인쇄하면 매우 유연해지고, 두껍게 인쇄하면 탄성과 내충격성이 매우 높아집니다. 잠재적인 응용 분야는 무궁무진합니다.
이 새로운 소재는 상상력이 풍부한 아이디어와 디자인을 가진 사람들을 위해 완벽한 경첩, 댐퍼, 접촉면 등의 제조에 혁신을 일으킬 준비가 되어 있습니다. 그림 4-66은 탄성 수지로 만든 모델을 보여줍니다.
고온 수지는 의심할 여지 없이 많은 수지 제조업체들이 연구 개발의 초점으로 삼고 있는 분야입니다. 이러한 플라스틱의 노화 문제는 수지가 소비자용에서 산업용 애플리케이션으로 발전하는 데 있어 오랫동안 난제였기 때문입니다. 시안산염 에스테르 수지는 최대 219°C의 열변형 온도를 자랑하며 고온에서도 우수한 강도, 강성 및 장기적인 열 안정성을 유지합니다.
자동차 및 항공우주 산업 금형과 기계 부품에 이상적입니다. 현재 고온 레진 소재의 과제는 최대 289°C(552°F)의 열변형 온도(HDT)를 달성하는 것입니다. Formlabs는 최신 고온 소재도 소개했습니다.
폼랩스의 데스크톱 3D 프린터용 덴탈 SG 소재는 EN-ISO10993-1:2009/AC:2010 및 USP Class VI 표준을 준수하여 인체 조직에 대한 안전성과 환경 친화성을 보장합니다. 레진의 반투명성 덕분에 수술용 재료와 수술용 드릴의 가이드로 사용할 수 있습니다. 이 레진은 치과 산업을 위해 설계되었지만 다른 분야, 특히 의료 분야 전반에도 적용할 수 있습니다.
자외선을 사용하여 프리세라믹 모노머를 광중합하여 만든 세라믹은 수축이 균일하고 다공성이 거의 없습니다. 3D 프린팅 후 이 수지를 소결하여 고밀도 세라믹 부품을 제작할 수 있습니다. 이 기술로 생산된 초고강도 세라믹 소재는 1700°C 이상의 온도에서도 견딜 수 있습니다.
시중에 널리 사용되는 세라믹 광중합 기술은 고속 교반을 통해 세라믹 분말을 광중합 가능한 용액에 균일하게 분산시켜 고체 함량, 저점도 세라믹 슬러리를 생성하는 것입니다.
이 슬러리를 광중합 성형기에서 한 층씩 직접 응고시켜 세라믹 그린 바디를 축적하고, 이후 건조, 디바운드, 소결 과정을 거쳐 최종 세라믹 부품을 얻습니다.
일광 수지는 자외선 아래에서 경화되는 수지와 달리 일반 일광 아래에서도 굳을 수 있는 매력적인 유형의 수지입니다. 따라서 자외선 광원에 대한 의존성을 제거하여 액정 디스플레이를 경화에 사용할 수 있습니다. 이 수지는 광중합 3D 프린팅 비용을 크게 절감할 수 있는 가능성을 가지고 있으며 전망이 매우 밝습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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