2.1 사용재료 및 배합

2.1.4 폐선인장 분말 혼화제

손바닥 선인장은 대부분 점질다당류로 셀룰로스계 다당류 폴리머 구조와 유사한 화학적 구조를 가져 MC와 유사한 증점제 특성을 갖는다. 이 연구에서 사용한 폐선인장 분말 혼화제는 손바닥 선인장 열매를 수확한 후, 폐기한 줄기(cactus stem, CS)로 만들었다^{(Kim et al. 2022)}. 손바닥 선인장은 제주도에서 자생하고 있는 대표적인 귀화 선인장 식물이다. 손바닥 선인장은 강수량이 적은 지역에서도 강인한 자생력으로 특별한 관리 없이도 오랜 기간 생육과 번식을 지속할 수 있는 특징을 가지고 있어, 미래 사막화 방지 등의 생태적 중요성으로 관심이 커지고 있다^{(Iqbal et al. 2020)}. 손바닥 선인장은 강한 생존력으로 제초제에 대한 내성이 강해 농약으로는 쉽게 제거되지 않아, 용도 폐기된 선인장 부산물의 활용 방안이 필요하다고 알려져 있다^{(Kim et al. 2020)}.

본 연구에서 사용한 CS의 화학적 조성은 Table 4와 같으며, 74 μm(200 mesh) 이하의 분말로 제조된 것을 사용하였다(Fig. 1). CS는 친수성이 강하며 많은 양의 물을 흡수하여 저장할 수 있는 젤라틴 점액을 함유하고 있어 수분유지와 유동성을 가질 수 있다^{(Khayat 1998; Martinez-Molina et al. 2015)}.

Fig. 1 Cactus stem powder

Table 4 Chemical composition of cactus stem powder

Crude protein (%)	Crude fat (%)	Cellulose (mg/g)	Starch (mg/g)	Pectin (mg/g)
4.9	1.8	15.4	15.4	105.1

2.2 3D 프린터 사양 및 설정 조건

이 연구에서 사용한 3D 프린터는 압력에 의해 재료를 출력하는 갠트리(gantry) ME(material extrusion) 방식으로 Fig. 2와 같으며, 프린터의 사양과 출력 설정 조건은 Table 6과 같다. 3D 프린터의 노즐 직경은 10 mm이며 500 mm×500 mm×500 mm 크기까지 출력이 가능한 기기이다. 출력물은 Fig. 3과 같이 지름 100 mm, 높이 60 mm, 1층 높이 6.0 mm인 중공 원주형으로 모델링하였다.

Fig. 2 3D printer employed in this study

Fig. 3 Modeling for 3D printing

2.3 실험방법

3.1 점성 특성

배합에 따른 점성 특성 결과는 Fig. 4와 같다. M10과 M20은 MC를 혼입하지 않은 M0보다 점성이 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 MC의 수분흡수량이 높아져 점성이 증가하는 것으로 판단된다^{(Chen et al. 2020)}. M20에서 MC의 일부를 CS로 대체한 M18, M16, M14는 M20보다 각각 7.2 %, 13.4 %, 20.4 % 점성이 감소되는 것으로 나타났다. 이는 기존의 연구^{(Zhong et al. 2022)}에서 밝혀진 바와 같이, CS의 리그닌 성분 영향으로 점성이 감소한 것으로 판단된다.

SP와 보강섬유 NY를 혼입한 M18-SP0.5, M18-SP1.0, M18- SP1.5는 M18보다 각각 52.6 %, 45.0 %, 41.1 % 점성이 감소하는 것으로 나타났다. 섬유를 분산시키고 입자들의 습윤성을 향상시켜 점성을 감소시키는 SP의 효과가 모르타르의 유동성을 감소시키는 NY의 영향을 상쇄하였다고 판단된다^{(Zhang et al. 2021)}.

Fig. 4 Viscosity test results

3.2 플로 특성과 출력 연속성

Fig. 5는 플로 측정 결과이며 Fig. 6은 각 배합에 따른 3D 프린팅 출력물 사진이다. M10과 M20의 플로가 M0보다 각각 14.0 %와 23.8 % 감소하는 것으로 나타났다. 이는 MC 혼입량의 증가로 점성이 증가되어 플로가 감소한 것이다. Fig. 6에 나타낸 바와 같이, M0와 M10은 뚜렷한 출력 불연속 현상이 나타났다. 출력은 가능하나 일정한 양으로 출력되지 않아, 출력물의 품질이 크게 저하되는 것을 확인하였다. 모르타르는 프린터 노즐에 맞는 점성을 갖고 있어야 하는데 점성이 너무 낮으면 재료가 과도하게 흘러 나와서 적층이 제대로 되지 않기 때문이다. 반면, M20은 연속되는 출력으로 적층이 가능하여 적층 품질이 M0와 M10에 비하여 우수하였다. 이는 적절한 양의 MC를 사용함으로써 모르타르의 점성이 확보되어 3D 프린팅 압출 시 출력성과 적층성이 양호하게 나타난 것으로 판단된다.

M20의 플로에 비하여 M18, M16, M14의 플로는 각각 5.6 %, 16.4 %, 27.9 % 증가한 것으로 나타났다. 이는 CS에 존재하는 젤라틴 점액과 리그닌이 유동성에 영향을 미치는 것으로 판단된다. Fig. 6의 사진에서 M18과 M16은 연속되는 출력으로 적층이 가능한 반면, M14는 출력 불연속이 나타나 불량한 적층성을 보였다. CS 대체량이 과다하면, 유동성이 증가하여 프린터 노즐에서 재료가 과도하게 흘러내려 적층 품질을 저하시키는 것으로 판단된다. 기존 연구^{(Tay et al. 2019)}에 따르면 재료의 출력성과 적층성에 적합한 재료의 플로가 150 mm~190 mm 범위인 것으로 보고하고 있는데, M14는 이 범위를 벗어나는 플로를 보였다.

M18에 SP와 NY를 혼입한 M18-SP0.5의 플로가 M18의 플로보다 2.7 % 증가되었다. 이는 SP 혼입으로 유동성이 향상되었기 때문이다. 그러나 SP제의 과도한 사용은 섬유 등의 재료분리가 발생할 수 있으므로 배합 직후 펌프까지의 유동성 유지와 출력 및 적층까지의 가사시간을 확보할 수 있는 수준의 사용량 조절이 필요하다. M18-SP0.5보다 $V_{f}$가 높은 M18-SP1.0과 M18-SF1.5의 플로는 M18-SP0.5보다 각각 2.4 %와 5.4 % 감소되었다. NY 섬유 혼입량이 2배 이상 증가하여도 적절한 혼화제(MC, CS, SP)의 혼입으로 출력과 적층이 가능한 범위인 150 mm~190 mm의 플로를 나타낸 것으로 판단된다. 그러나 Fig. 6(g), (f)의 사진에 나타낸 바와 같이 M18-SP0.5와 M18-SP1.0은 연속되는 출력으로 적층이 가능한 반면, M18-SP1.5 배합은 출력이 불가능하였다. 섬유 혼입량 증가로 인해 3D 프린터의 노즐 막힘의 원인으로 판단된다. 높은 섬유 혼입량의 모르타르는 추후 노즐의 크기, 섬유의 종류, 종횡비(asptect ratio) 등을 조절하여 연속 출력과 적층이 가능할 것으로 기대되며, 이와 관련한 후속 연구가 필요한 것으로 판단된다.

Fig. 5 Flow test results

Fig. 6 Photographs of 3D printer output

3.3 출력물 표면 공극

Fig. 7은 출력물 이미지에서 관찰된 표면 공극의 사진이고, Fig. 8은 측정된 개수를 도표로 나타낸 것이다. M20에 비하여 M18과 M16의 표면 공극 개수가 증가하였다. CS 대체량이 증가할수록 공극의 개수가 증가한 것은 CS 혼입량이 증가할수록 공기량이 증가하는 특성이 있기 때문이라고 판단된다. 이러한 현상은 선인장으로 제조한 혼화제의 영향에 대한 기존의 연구^{(Torres-Acosta et al. 2020)}에서도 유사한 결과가 보고되었다.

한편 M18-SP0.5와 M18-SP1.0의 표면 공극 개수는 M18에 비하여 각각 14개와 71개 감소한 것으로 나타났다. 이는 증가한 섬유가 압출 시 출력물의 표면 공극 발생을 억제할 수 있음을 의미하는데, 정확한 원인은 추후에 보다 면밀한 연구를 통하여 검증할 필요가 있다고 판단한다.

Fig. 7 Surface pores observed in 3D printer output

Fig. 8 Number of surface pores

3.4 3D 프린팅 정확성

Fig. 9는 3D 모델링 크기와 실제 출력물의 정확성을 평가하기 위해 지름과 높이 치수 오차율 $P_{e}$를 나타낸 것이다. M0와 M10은 출력 불연속으로 출력물의 정확성을 측정할 수 없었다. 한편, M20의 $P_{e}$에 비하여 M18의 $P_{e}$가 지름은 1.4 %p, 높이는 1.6 %p 감소되었다. 그러나 M16의 $P_{e}$는 M20의 $P_{e}$보다 지름과 높이에서 0.9 %p 증가와 0.8 %p 감소를 나타내었다. 이는 CS가 소량의 MC를 대체하면 유동성 증가로 $P_{e}$를 감소시키는 긍정적인 역할을 하다가, 과다하게 대체되면 증가한 유동성이 오히려 $P_{e}$를 증가시키는 악영향을 준 것으로 판단된다. M14는 M0, M10과 같이 출력 불연속으로 출력물의 정확성을 측정할 수 없었다. 이 연구의 한정된 조건에서는 M18이 적절한 MC와 CM의 혼입 비율임을 알 수 있다.

NY 섬유를 혼입한 M18-SP0.5의 $P_{e}$는 M18의 $P_{e}$보다 지름과 높이에서 각각 3.8 %p와 0.9 %p가 감소되어 상대적으로 양호한 결과를 보였다. 이는 섬유를 보강하여 발생한 유동성의 감소가 혼화제들의 적절한 혼합으로 보상되고, 오히려 출력물의 $P_{e}$를 줄이는 긍정적인 결과가 나타났음을 의미한다. 한편, M18-SPF1.0의 $P_{e}$는 M18-SF0.5의 $P_{e}$보다 지름과 높이에서 각각 1.11 %p와 0.2 %p가 증가되었다. 이는 $V_{f}$가 증가하면서 모르타르의 점성이 증가하여 치수의 오차를 크게 만든 것으로 판단된다.

Fig. 10은 3D 출력물의 적층 정확성($a_{th}$) 평가 결과이다. M20의 $a_{th}$는 X축 0.88, Z축 0.87이다. 한편, M18의 $a_{th}$는 X축 0.91, Z축 0.91로서 CS 대체량이 증가함에 따라 $a_{th}$가 증가하였다. 그러나 M16의 $a_{th}$는 X축 0.89, Z축 0.87로 나타나, CS 대체량이 증가할수록 $a_{th}$가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 $P_{e}$ 평가에서도 나타난 일관된 결과이며, CS가 과다하게 대체되면 증가한 유동성이 $a_{th}$를 감소시키는 악영향을 준 것으로 판단된다.

M18-SP0.5은 X축 0.93, Z축 0.88으로 가장 높은 $a_{th}$를 나타낸 반면, 섬유 혼입량이 증가한 M18-SP1.0 배합은 X축 0.85, Z축 0.83으로 $a_{th}$가 가장 낮은 것으로 나타났다. 이 연구의 한정된 조건에서는 $V_{f}$의 증가에 따라 3D 프린팅 정확성이 불량하게 나타났으나, 추후 다양한 혼화제를 대상으로 더 적절한 혼입 비율을 찾는다면, 우수한 품질의 모르타르 3D 프린팅이 가능할 것으로 판단된다.

Fig. 9 Dimensional error rate in diameter and height

Fig. 10 Layer thickness accuracy