Additive manufacturing (also known as 3D printing) has been widely characterized as a disruptive technology for the production of geometrically optimized components at a lower cost and with functionalities otherwise not attainable. Amongst the different categories of additive manufacturing technologies, Fused Deposition Modeling (FDM) has become the most widely adopted owing to its accessibility, low complexity, and high flexibility. Although notable advancements in FDM have been achieved, weak mechanical properties remain a barrier to produce functional components. This limitation is a result of weak interlayer bonding inherent to the layer-by-layer fabrication since the lower layers rapidly cool below glass transition temperature before the next one is deposited. This work presents an inexpensive solution that targets the process of interlayer bond formation to increase the mechanical properties of FDM printed components and reduce anisotropy. This is done through the installation of a heated roller to slightly compress each layer homogeneously onto the previous one after it has been printed. Thermo-mechanical methods are proposed since pressure forces can be used to increase filament surface contact, and heat can be used to enable longer diffusion and neck growth. In this work, the effects of roller pressure, speed, and temperature on bonding strength are analysed through tensile testing, three-point bending, and differential scanning calorimetry. In summary, tensile testing shows a maximum ultimate tensile strength (UTS) increase of 38.8%, a maximum tensile modulus increase of 19.4%, and a maximum tensile strain increase of 359.6%. Furthermore, flexural analysis shows a maximum increase in ultimate flexural stress (UFS) of 13.5%, a maximum increase in flexural modulus of 20.76%, and a maximum increase in flexural strain of 11.9%. Lastly, DSC analysis shows an increase in crystallinity of tested samples from 2.7% to 8.6%.
적층 제조(혹은 3D 프린팅) 기술은 저비용으로 기능성과 구조적 최적화 성능을 가진 부품을 제작하는데 특화된 기술로 알려져 있다. 그 중, 필라멘트를 녹여 적층하는 방식(FDM)은 높은 접근성과 사용 편의성, 그리고 기술의 활용성을 바탕으로 널리 활용되고 있다. 하지만 FDM 기술의 많은 발전에도 불구하고, 약한 기계적 특성은 제조 기술의 주요 문제점으로 남아있다. 약한 기계적 특성의 주요 원인은 층별 제조 과정에서 발생한다. 층별 제조 과정은 FDM 기술의 고유 특징이며, 다음 층이 적층되기 전에 기존에 적층된 재료가 유리전이 온도 이하로 냉각되는 현상이다. 본 논문은 FDM 제품의 기계적 특성 향상과 이방성을 줄이기 위한 층간 결합력의 강화를 목적으로 개발된 저비용 기술을 설명한다. 또한, 본 논문에서는 압력, 속도, 온도와 층간 결합력의 효과를 파악하기 위한 인장 시험과 3점 굽힘 시험, 시차 주사 열량측정 시험 (DSC)이 수행되었다. 인장 시험에서는 기존의 제조 방식과 비교했을 때, 최대 인장 강도가 38.8%, 영률 19.4%, 변형률이 359.6% 증가했다. 더 나아가, 3점 굽힘 실험에선 최대 굽힘 응력, 굽힘 탄성율과 굽힘 변형률이 각각 13.5%, 20.76%, 11.9% 상승했으며, 시차 주사 열량 측정 시험을 통해 2.7%의 결정도가 8.6%로 증가함을 확인할 수 있었다.
