A Study on Tensile Strength Dependent on Variation of Output Condition of the X-shape Infill Pattern using FFF-type 3D Printing

융합 필라멘트 제조 방식의 3D 프린팅을 이용한 X자 형상 내부 채움 패턴의 출력 옵션 변화에 따른 인장강도 연구

Abstract

Plastic, the main material of FFF-type 3D printing, exhibits lower strength compared to metal. research aimed at increasing strength is needed for use in various industrial fields. This study analyzed three X-shape infill patterns(grid, lines, zigzag) with similar internal lattice structure. Moreover, tensile test considering weight and printing time was conducted based on the infill line multiplier and infill overlap percentage. The three X-shape infill patterns(grid, lines, zigzag) showed differences in nozzle paths, material usage and printing time. When infill line multiplier increased, there was a proportional increase in tensile strength/weight and tensile strength/printing time. In terms of infill overlap percentage, the grid pattern at 50% and the zigzag and lines patterns at 75% demonstrated the most efficient performance.

1. 서론

3D 프린팅 적층 제조(Additive Manufacturing) 방식 중 융합 필라멘트 제조(FFF: Fused Filament Fabrication) 또는 융합 증착 모델링(FDM: Fused Deposition Modeling)은 가열된 필라멘트를 적층하며 제조하는 방식이다. 기존의 절삭 가공보다 장비 가격이 저렴하고 유지 보수 및 운영이 용이하다는 장점이 있다. 하지만 적층 시 레이어들이 접촉하는 접합부에 접합제를 따로 사용하지 않고, 플라스틱 재료의 낮은 강도 때문에 다른 제조 방식에 비해 인장강도가 낮은 단점이 있다. 따라서 FFF방식의 3D 프린터로 출력된 출력물의 인장강도 향상에 대한 연구가 지속적으로 수행되고 있다.

김경아 등[1]은 베드의 수직 방향을 기준으로 적층 방향 7가지에 대한 인장시험 수행 후 기계적 물성치에 대해 분석하였다. 시험 결과 베드의 수직 방향인 0°에서 인장강도가 가장 높고 45° 방향에서 가장 낮았다. 그들은 45° 방향 출력 시 이방성이 높아져 인장강도가 낮다고 설명하였다. 또한 충진(채움) 밀도가 높아질수록 인장강도가 증가하였다.

강용구 등[2]은 적층 기울기, 내부 채움 및 적층 두께를 공정 변수로 지정하여 인장시험을 수행하였다. 적층 기울기와 적층 두께가 증가할수록 인장강도는 감소하였는데 층간 결합력이 낮아지기 때문이라고 언급하였다. 김범준[3]은 레이어 적층 방향을 X, Y방향으로 각각 달리하여 레이어 두께, 적층 속도에 대한 인장시험을 수행하였다. 레이어 두께는 낮을수록 인장강도가 높고 적층 속도가 증가하면 인장 강도와 연신율이 선형적으로 감소하였다. 또한 X방향 출력 시편이 Y방향 시편보다 높은 인장강도를 나타냈다.

박성제 등[4]은 FDM 방식의 3D 프린터에서 PLA, ABS, PA6 소재를 이용하여 노즐 온도에 따라 인장 방향과 평행하게 적층한 경우(적층 방향)와 인장 방향의 직각 방향으로 적층한 경우(적층 직각 방향)에 대하여 인장강도를 비교 분석하였다. 적층 방향의 경우는 노즐 온도에 따라 인장강도에 큰 차이가 없었지만 적층 직각 방향은 노즐 온도가 인장강도에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

Cristina Vălean 등[5]은 출력 방향과 시편 크기를 변수로 인장시험을 수행하였고 시편 두께가 가장 얇은 1.25mm일 때 인장강도가 가장 높게 나타났다. 이는 시편 크기가 커지면 결함 수가 증가하기 때문이라고 언급하였다. 또한 시편 출력 방향이 45°일 때 설계 치수와 실제 치수의 차이가 가장 크게 나타났다. Liviu Marșavina 등[6]은 시편 방향, 출력 방향, 3D 프린터 종류, 필라멘트 색을 변수로 하여 인장시험과 파괴인성시험을 진행한 후 기계적 물성치에 대해 분석하였다. 출력 시편이 베드와 수직이고 출력 방향이 45°일 때 가장 낮은 인장강도 결과를 보였다. 또한 출력 방향이 45°일 때 파괴인성 값이 가장 낮았는데 이는 응력을 저항하는 레이어가 0, 90°의 시편보다 적기 때문이라고 언급하였다.

본 연구자[7]는 내부 채움 패턴, 노즐 온도, 베드 온도와 출력 속도를 변수로 인장시험을 진행하여 노즐온도와 베드온도가 높을수록 출력속도가 느릴수록 인장강도가 증가함을 확인하였다. 또한 저자[8]는 4가지 채움 패턴에 대해 채움 밀도 별로 인장시험을 진행하였고 중량과 출력시간을 고려한 가장 효율적인 패턴이 concentric이라고 제시하였다.

기존 연구자들은 유사한 적층 패턴의 인장강도 차이에 대한 연구는 수행하지 않았다. 하지만 유사한 내부 채움 형상에서 적층 경로, 레이어간 겹침 정도 등에 따라 인장강도 차이가 발생할 수 있다. 따라서 3D 프린팅 기술이 다양한 분야에서 활용되려면 출력물의 인장강도를 높이기 위한 출력 옵션의 세부적인 연구가 반드시 필요하다. 따라서 본 연구자는 내부 채움 형상이 X자 형상으로 유사한 grid, lines, zigzag 3가지 패턴에 대해 적층 경로, 내부 채움 선배율(infill line multiplier), 채우기 겹침 정도(infill overlap percentage)에 대해 분석하고 인장강도 변화에 대한 연구를 수행하였다.

2. 실험

2.1 재료 및 시편 제작

인장 시편 제작을 위해 사용한 재료는 PLA+(Poly Lactic Acid-Plus)이고 시편의 규격은 ASTM D638 Type Ⅰ로 제작하였다. Fig. 1은 실험에서 사용한 인장 시편을 보여준다[7].

Fig. 1 Tensile specimen(ASTM D638 Type Ⅰ)[mm]

2.2 실험 장비

본 연구에서 인장 시편 출력을 위해 사용된 3D 프린터는 큐비콘(Cubicon)사의 Single Plus 3DP-310F이다(Fig. 2(a)). 이 프린터의 최대 출력 범위는 노즐 온도 260℃, 베드 온도 120℃, 출력속도 500mm/s이다. 인장 시편은 출력 온도 220℃, 베드 온도 65℃, 출력 속도 60mm/s의 조건으로 출력되었다. 출력 조건 설정과 파일 변환을 위해 슬라이싱 프로그램인 Cubicreator4 V4.4.0를 사용하였다[9]. 인장시험기는 만능재료시험기(Universal Testing Machine) TO-102모델이며 최대 하중 5000kgf, 시험 속도 1~500mm/min이다(Fig. 2(b)). 본 연구에서는 시험 속도를 5mm/min으로 설정하고 신율계(extensometer)를 장착하여 인장시험을 진행하였다[7]. 인장시험은 두 번씩 진행하였으며 인장시험에 대한 결과는 평균값으로 나타냈다. 시편 내부를 분석하기 위해 MIRACLE-V2512M 비전 장비로 시편 내부 채움 형상과 단면 형상을 관찰하였다.

Fig. 2 3D printer and tensile testing machine: (a) Single Plus 3DP-310F; (b) Test-one-TO-102

3. 분석 내용

본 연구에서는 X자 형상으로 적층되는 내부 채움 패턴 grid, lines, zigzag 3가지에 대해 적층 경로를 분석하였다. 또한 인장강도에 미치는 영향을 파악하기 위해 내부 채움 선 배율(infill line multiplier), 채우기 겹침 정도(infill overlap percentage) 3가지 옵션에 대해서도 분석을 실시하였다.

3.1 채움패턴 별 적층 경로

Grid, lines, zigzag 패턴을 분석하기 위해 채움 밀도를 20%로 설정하여 표점 거리(50*13mm)내의 적층 경로를 비교하였다. 현재 적층되는 경로는 실선, 이전에 적층된 경로는 점선으로 표시하였다.

3.1.1 Grid 패턴

Grid 패턴은 노즐이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하여 적층을 시작한다(Fig. 3(a)). 이후 3.06mm 위로 이동하여 Fig. 3(b)와 같이 이전 적층 경로와 3.95mm 간격으로 평행하게 오른쪽에서 왼쪽으로 적층된다. 그 다음 2.51mm 아래로 이동하여 Fig. 3(c)의 경로로 적층된다. Fig. 3(d)는 3.06mm 위로 이동한 후 마지막으로 적층되는 경로를 보여준다. Grid 패턴은 이 4개의 과정으로 첫 번째 레이어 층을 만들어낸다(Fig. 3(e)).

Fig. 3 Nozzle path of grid pattern in first layer: (a) Representation of first path; (b) Second path; (c) Third path; (d) Fourth path; (e) First layer[mm]

3.1.2 Lines 패턴

Lines 패턴의 첫 번째 레이어는 2.76mm 간격으로 ①번에서 적층을 시작하여 ②→③→④번 순으로 적층된다(Fig. 4(a)). 이후 노즐이 ⑤번 경로로 이동 후 ⑥번에서 적층을 다시 시작하여 오른쪽으로 이동하면서 첫 번째 레이어를 완성한다. 두 번째 레이어는 노즐이 왼쪽 하단으로 이동하여 ①→②→③→④번 순으로 적층하여 두 번째 레이어를 생성한다(Fig. 4(b)). Lines 패턴은 grid 패턴과 다르게 두 개의 레이어 층으로 X자 형상을 만들어낸다(Fig. 4(c)).

Fig. 4 Nozzle paths of lines pattern in first and second layer: (a) First layer; (b) Second layer; (c) Stacked lattice structure[mm]

3.1.3 Zigzag 패턴

Zigzag 패턴은 첫 번째 레이어가 적층될 때 Fig. 5(a)와 같이 왼쪽에서 오른쪽으로 내부 채움 간의 간격을 4.13mm로 유지하면서 적층된다. 이후 노즐이 다시 왼쪽으로 이동하여 4.13mm 간격으로 두 번째 레이어를 적층한다(Fig. 5(b)). Zigzag 패턴은 lines 패턴과 동일하게 두 개의 레이어 층으로 X자 형상을 만든다(Fig. 5(c)).

Fig. 5 Nozzle paths of zigzag pattern in first and second layer: (a) First layer; (b) Second layer; (c) Stacked lattice structure[mm]

3.2 내부 채움 선배율

내부 채움 선배율(infill line multiplier)은 내부 채움 레이어의 개수를 증가시키는 옵션으로 내부 채움 선배율 옵션을 변경하면 Fig. 6과 같이 내부 채움 레이어의 개수가 증가하게 된다. Fig. 6은 내부 채움 선배율 설정 값에 따른 내부의 형상을 나타낸다. 설정값이 1이면 내부 채움 선이 1개, 설정 값이 2이면내부 채움 선이 2개이고 최대 3까지 설정이 가능하다. Grid와 lines 패턴은 내부 채움 선배율 설정이 가능하지만 zigzag 패턴은 내부 채움 선배율 설정이 불가능하다.

Fig. 6 Lattice structure of infill line multiplier

3.3 채우기 겹침 정도

Fig. 7은 X자 채움 패턴에서 채우기 겹침 정도(infill overlap percentage)에 따른 내부 적층 형상을 나타낸다. Grid, lines 패턴은 채우기 겹침 정도에 따라 a 면적만큼 내벽(inner wall) 레이어와 내부 채움(infill) 레이어가 겹쳐진다. 채우기 겹침 정도가 커지면 내벽 레이어와 내부 채움 레이어 겹침 면적이 증가하게 된다. 또한 grid와 lines 패턴은 내벽 레이어와 내부 채움 레이어가 삼각형 형상으로 겹치게 된다(Fig. 7(a)). Zigzag 패턴은 내벽 레이어와 내부 채움 레이어가 사각형 형상으로 겹치며 채우기 겹침 정도에 따라 b 면적만큼 겹쳐진다(Fig. 7(b)).

Fig. 7 Lattice structure of infill overlap percentage: (a) Grid and lines patterns; (b) Zigzag pattern

4. 결과 및 분석

4.1 내부 채움 선배율 변화에 대한 분석

4.1.1 Grid, lines 패턴 내부 적층 형상

본 연구에서는 내부 채움 선배율에 따른 내부 적층 형상을 분석하기 위해 채움 밀도 20%의 grid와 lines 패턴을 출력하여 적층된 레이어를 분석하였다. Image J 프로그램을 이용하여 내부 채움 레이어 폭을 측정하였다[10].

Grid 패턴의 내부 채움 선배율 1일 때 내부 채움 레이어 폭은 0.43mm이다(Fig. 8(a)). 내부 채움 선배율이 2이면 레이어 폭이 2배 증가한 0.86mm이며, 내부 채움 선배율 3이면 1일 때보다 3배 증가한 1.29mm이다(Fig. 8(b) and (c)).

Fig. 8 Infill shape based on infill line multiplier of grid pattern: (a) One; (b) Two; (c) Three[mm]

Fig. 9(a)는 lines 패턴에서 내부 채움 선배율 1일 때를 보여주며 내부 채움 레이어 폭은 0.39mm이다. 내부 채움 선배율이 2이면 내부 채움 레이어 폭은 2.03배(0.79mm) 증가하고 내부 채움 선배율이 3이면 내부 채움 레이어 폭이 3.05배(1.29mm) 증가하였다(Fig. 9(b) and (c)). Lines 패턴은 선배율이 증가하면 레이어 간에 작은 공간이 생겨 2, 3배보다 조금 높은 비율로 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 9 Infill shape based on infill line multiplier of lines pattern: (a) One; (b) Two; (c) Three[mm]

4.1.2 중량과 출력시간을 고려한 인장강도 비교

본 연구자는 grid와 lines 패턴의 내부 채움 선배율에 따른 인장강도[MPa]와 원가 절감과 생산성 향상에 효율적인 조건을 확인하기 위해 인장강도/중량[MPa/g], 인장강도/출력시간[MPa/min]에 대해 분석하였다. 이 때 시편의 채우기 겹침 정도는 기본 설정값인 15%이다.

Fig. 10(a)는 grid 패턴의 내부 채움 선배율에 따른 인장강도와 인장강도/중량의 결과를 보여준다. 내부 채움 선배율이 1, 2, 3일 때 시편 중량은 6.52, 7.09, 7.73g이다. 내부 채움 선배율이 3일 때 인장강도 36.00 MPa, 인장강도/중량 4.66 MPa/g, 인장강도/출력 0.68 MPa/min으로 가장 높은 결과를 나타냈다(Fig. 10(b)). 내부 채움 선배율이 1에서 3으로 증가하면 인장강도는 65.06%(21.81→36.00 MPa), 인장강도/중량은 39.10%(3.35→4.66 MPa/g), 인장강도/출력시간은 23.64%(0.55→0.68 MPa/min) 증가하였다.

Fig. 10 Tensile test results based on infill line multiplier for grid pattern: (a) Tensile strength and tensile strength/weight; (b) Printing time and tensile strength/printing time

Lines 패턴의 내부 채움 선배율에 따른 시편 중량은 6.36, 7.12, 8.00g이다. Lines 패턴도 grid 패턴과 동일하게 내부 채움 선배율이 3일 때 33.87 MPa, 4.23 MPa/g, 0.72 MPa/min으로 가장 높은 인장강도, 인장강도/중량과 인장강도/출력시간 값을 나타냈다(Fig. 11(a) and (b)). Lines 패턴의 경우 내부 채움 선배율이 3이면 1일 때보다 인장강도는 79.30%(18.89→33.87 MPa), 인장강도/중량은 42.42%(2.97→4.23 MPa/g), 인장강도/출력시간은 53.19%(0.47→0.72 MPa/min) 높았다. Grid, lines 두 패턴 모두 인장강도 측면에서 내부 채움 선배율이 증가할수록 외부 응력에 버틸 수 있는 레이어 개수가 늘어나게 된다. 따라서 인장시험시 응력에 대한 저항이 증가하여 인장강도도 증가하는 것으로 판단된다.

Fig. 11 Tensile test results based on infill line multiplier for lines pattern: (a) Tensile strength and tensile strength/weight; (b) Printing time and tensile strength/printing time

내부 채움 선배율 3을 기준으로 grid와 lines 패턴을 비교해 보았을 때 인장강도/중량에서는 grid 패턴이 lines 패턴보다 10.17%(4.66 vs 4.23 MPa/g) 더 높은 값을 보였다. 인장강도/출력시간에서는 lines 패턴이 grid 패턴보다 5.88%(0.72 vs 0.68 MPa/min) 더 높은 값을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 원가 절감의 측면에서는 grid 패턴이 우수하고 생산성 측면에서는 lines 패턴이 효율적임을 확인하였다. 내부 채움 선배율이 증가하면 레이어 폭이 증가하여 기공 크기가 줄어드는 효과가 나타난다(Fig. 8 and 9). 따라서 시편 내부에 빈 공간이 줄어들기 때문에 인장강도가 향상되는 것으로 판단된다.

4.2 채우기 겹침 정도 변화에 대한 분석

4.2.1 내부 채움과 내벽 레이어 겹침 면적

본 연구에서는 내부 채움과 내벽 레이어 간의 겹침 정도를 나타내는 채우기 겹침 정도에 대한 분석을 실시하였다. 겹침 면적은 Image J 프로그램을 이용하여 측정하였다[10].

Fig. 12는 grid 패턴에서 채우기 겹침 정도에 따른 내부 형상을 보여준다. Grid 패턴은 내부 채움과 내벽 레이어가 삼각형 형상으로 겹치고 채우기 겹침 정도 0%일 때 겹침 면적이 0이 아닌 0.33mm²이다. 채우기 겹침 정도가 50, 100%일 때 겹침 면적은 0.51, 0.70mm²이다. 채우기 겹침 정도가 50%씩 늘어나면 겹침 면적이 1.55배(0.33→0.51mm²), 1.37배(0.51→0.70mm²) 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 12 Infill shape based on infill overlap percentage of grid pattern: (a) 0%; (b) 50%; (c) 100%

Lines 패턴은 grid 패턴과 동일하게 내부 채움과 내벽 레이어가 삼각형 형상으로 겹치고 채우기 겹침 정도 0, 50, 100%일 때 겹침 면적은 0.34, 0.48, 0.68mm²이다(Fig. 13). 채우기 겹침 정도가 50%씩 증가하면 겹침 면적이 1.41배(0.34→0.48mm²), 1.42배(0.48→0.68mm²) 증가하였다.

Fig. 13 Infill shape based on infill overlap percentage of lines pattern: (a) 0%; (b) 50%; (c) 100%

Zigzag 패턴은 grid와 lines 패턴과 달리 채우기 겹침 정도 0%일 때 내벽과 내부 채움 레이어가 겹치지 않아 겹침 면적이 0이다(Fig. 14(a)). 이후 채우기 겹침 정도가 50%씩 증가하면 레이어가 사각형 형상으로 겹치게 된다(Fig. 14(b) and (c)). 채우기 겹침 정도가 50%일 때는 겹침 면적이 1.52mm², 100%일 때는 2.71mm²로 50%일 때보다 1.78배 증가하였다.

Fig. 14 Infill shape based on infill overlap percentage of zigzag pattern: (a) 0%; (b) 50%; (c) 100%

4.2.2 중량과 출력시간을 고려한 인장강도 비교

Fig. 15는 grid 패턴의 채우기 겹침 정도 증가에 따른 인장강도, 인장강도/중량, 인장강도/출력시간 결과를 보여준다. 채우기 겹침 정도 별 시편 중량은 각각 6.58, 6.59, 6.56, 6.57, 6.59g이다. 채우기 겹침 정도 50%일 때 인장강도, 인장강도/중량, 인장강도/출력시간이 23.23 MPa, 3.54 MPa/g, 0.59 MPa/min으로 가장 높은 결과를 보였다. 채우기 겹침 정도 0%와 50%를 비교하였을 때 인장강도는 8.10%(21.49→23.23 MPa), 인장강도/중량은 8.26%(3.27→3.54 MPa/g), 인장강도 출력시간은 9.26%(0.54→0.59 MPa/min) 향상시킬 수 있다.

Fig. 15 Tensile test results based on infill overlap percentage for grid pattern: (a) Tensile strength and tensile strength/weight; (b) Printing time and tensile strength/printing time

Fig. 16은 lines 패턴의 인장강도/중량과 인장강도/출력시간 결과이다. 채우기 겹침 정도 별 시편 중량은 각각 6.21, 6.23, 6.26, 6.24, 6.22g이다. 채우기 겹침 정도 75%에서 가장 높은 인장강도, 인장강도/중량, 인장강도/출력시간 값을 보였다. 채우기 겹침 정도 0%와 75%를 비교하였을 때 인장강도는 10.99%(18.65→20.70 MPa), 인장강도/중량은 10.67% (3.00→3.32 MPa/g), 인장강도/출력시간에서 10.87% (0.46→0.51 MPa/min) 효율적인 것을 확인하였다.

Fig. 16 Tensile test results based on infill overlap percentage for lines pattern: (a) Tensile strength and tensile strength/weight; (b) Printing time and tensile strength/printing time

Fig. 17은 zigzag 패턴의 결과를 보여준다. 채우기 겹침 정도 별 시편 중량은 각각 6.69, 6.69, 6.70, 6.69, 6.73g이다. Lines 패턴과 동일하게 채우기 겹침 정도 75%일 때 0%보다 인장강도는 31.12%(16.55→21.70 MPa), 인장강도/중량은 31.17%(2.47→3.24 MPa/g), 인장강도/출력시간은 30.23%(0.43→0.56 MPa/min)로 다른 패턴에 비해 가장 높은 결과를 보였다.

Fig. 17 Tensile test results based on infill overlap percentage for zigzag pattern: (a) Tensile strength and tensile strength/weight; (b) Printing time and tensile strength/printing time

채우기 겹침 정도에 대한 인장강도 결과를 보면 grid 패턴은 50%, lines와 zigzag 패턴은 75%를 적용하는 것이 0%일 때보다 원가 절감과 생산성 향상에 효율적임을 확인하였다. Zigzag 패턴은 인장강도, 인장강도/중량, 인장강도/출력시간을 30.23~31.17% 향상시킬 수 있다.

4.2.3 채우기 겹침 정도에 따른 내부 형상 분석

채우기 겹침 정도 증가에 따라 인장강도, 인장강도/중량, 인장강도/출력시간은 비례하지 않았다. Grid 패턴은 채우기 겹침 정도 50%, zigzag와 lines 패턴은 75%에서 가장 높은 값을 나타냈다. 본 연구자는 이러한 결과에 대한 분석을 위해 원가 절감과 생산성 향상 정도가 가장 높은 zigzag 패턴의 인장 시편 단면을 절단하여 비전 장비로 관찰하였다(Fig. 18(a)). Fig. 18(b)에서 채우기 겹침 정도 0%일 때 내부 채움(infill layer) 레이어와 내벽(inner wall) 레이어가 겹치지 않았지만 50, 100%일 때 겹침 길이가 0.41, 0.63mm로 늘어난다(Fig. 18(c) and (d)). 이 경우 내부 채움 레이어와 내벽 레이어의 겹침으로 인해 내부의 빈 공간이 발생하면서 적층된다. 내부의 빈 공간은 내부 기공이 있는 것과 유사하며 내부 균열 길이가 길어진 것과 유사하다. 채우기 겹침 정도가 높아지면 레이어 간 겹침 면적이 증가하여 결합력은 증가하지만 동시에 내부 기공, 내부 균열과 같은 빈공간도 발생하게 된다. 인장시험 시 레이어 간 결합력은 인장강도를 높이는 요인이지만 내부 기공, 균열 길이와 같은 빈 공간은 응력 집중으로 인해 인장강도를 낮추는 요인이 된다. 따라서 인장강도에 상충되는 요인으로 인해 Grid 패턴은 채우기 겹침 정도 50%, zigzag와 lines 패턴은 75%에서 가장 높은 인장강도가 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 18 Width of the void dependent on infill overlap percentage: (a) Direction of observation(tensile specimen); (b) 0%; (c) 50%; (d) 100%[mm]

5. 결론

본 연구는 3D 프린팅 적층 제조 방식 중 융합 필라멘트 제조(FFF) 방식을 이용하여 내부 형상이 X자 형상으로 유사한 grid, lines, zigzag 패턴의 적층 경로, 내부 채움 선배율, 채우기 겹침 정도에 대한 인장강도 연구를 수행하였고 결론은 다음과 같다.

(1) X자 형상 내부 채움 패턴에서 내부 채움 선배율이 증가하면 내부 채움 레이어를 구성하는 레이어의 폭도 증가하였다. Grid와 lines 패턴은 내부 채움 선배율이 증가함에 따라 인장강도/중량은 39.10~42.42%, 인장강도/출력시간은 23.64~53.19% 향상되었다. 또한 내부 채움 선배율 3을 기준으로 인장강도/중량 값은 grid 패턴이 lines 패턴보다 10.17% 높았고 인장강도/출력시간 값은 lines 패턴이 grid 패턴보다 5.88% 높은 결과를 보였다.

(2) 채우기 겹침 정도가 증가할수록 내부 채움 레이어와 내벽 레이어 간의 겹침 면적이 증가하였다. Grid와 lines 패턴은 삼각형 형상으로 zigzag 패턴은 직사각형 형상으로 겹치는 것을 확인하였다. 채우기 겹침 정도 증가에 따라 인장강도, 인장강도/중량, 인장강도/출력시간 값은 선형적으로 증가하지 않았다. Grid 패턴은 채우기 겹침 정도 50%, zigzag와 lines 패턴은 채우기 겹침 정도 75%를 적용하는 것이 0%일 때보다 원가 절감 측면에서 8.26~31.17%, 생산성 측면에서 9.26~30.23% 효율적이었다.

(3) 채우기 겹침 정도가 증가하면 내부 채움 레이어와 내벽 레이어 간의 겹침 면적이 증가하지만 내부에 빈 공간이 발생하게 된다. 내부의 빈 공간은 내부 기공이 있는 것과 유사하며 내부 균열 길이가 길어진 것과 유사하기 때문에 인장시험 시 응력 집중을 유발한다. 따라서 채우기 겹침 정도 증가에 따라 인장강도가 선형적으로 증가하지 않는 것으로 판단된다.