3D 프린팅 복합 재료:입문 가이드

적층 가공은 PEEK와 같은 고성능 열가소성 수지부터 티타늄과 같은 항공우주용 금속에 이르기까지 다양한 재료에 사용할 수 있습니다.

그러나 때때로 엔지니어는 두 가지 다른 재료의 속성을 결합하기를 원하며 이를 수행하는 가장 좋은 방법 중 하나는 복합체를 사용하는 것입니다. . FDM 및 SLS(새로운 기술)와 같은 공정에 사용되는 복합 재료에는 일반적으로 기본 열가소성 재료가 포함됩니다. 및 보강 요소 탄소 섬유와 같은. 강화 재료를 통합하는 방법과 마찬가지로 두 요소 사이의 비율이 다를 수 있습니다.

3D 프린팅 기술이 계속 향상됨에 따라 3D 프린팅 가능한 복합 재료의 사용이 더욱 광범위해지고 있습니다. 또한 이들의 사용은 산업에만 국한되지 않습니다. 일부 복합 재료(예:SLS 분말)는 주로 산업 사용자를 대상으로 합니다. , 기타(예:잘게 잘린 섬유 강화 열가소성 플라스틱)는 소비자 및 전문가를 위한 중가 FDM 3D 프린터에 사용할 수 있습니다. .

이 기사는 3D 프린팅 복합 재료에 대한 입문 가이드 역할을 합니다. 일부 인기 있는 복합 재료 및 복합 인쇄 기술을 살펴보고 절단 섬유와 연속 섬유 복합 재료의 차이점을 설명하고 3D 인쇄 복합 재료의 주요 응용 프로그램과 장점을 고려합니다.

복합 3D 프린팅 재료란 무엇입니까?

간단히 말해 복합 재료는 두 가지 이상의 다른 재료로 구성된 재료입니다. . 복합 재료 3D 프린팅 전문업체인 Markforged는 복합 재료를 "결합될 때 원래 재료와 다른 특성을 갖는 둘 이상의 재료로 구성되는" 것으로 정의합니다.

3D 프린팅 이외의 복합 재료의 예로는 합판(다양한 목재 베니어판)과 철근 콘크리트(철강으로 강화된 콘크리트)가 있습니다.

3D 프린팅 내에서 복합 재료는 일반적으로 열가소성 기본 재료(매트릭스) 및 보강 탄소 섬유, 유리 섬유, 그래핀 과 같은 요소 또는 케블라 . (PLA + ABS와 같은 두 가지 열가소성 수지의 혼합물은 일반적으로 혼합이라고 합니다. , 합성물이 아닙니다.) 기본 재료는 거의 모든 것이 가능하지만 산업 사용자는 일반적으로 강화 요소 없이도 좋은 재료 특성을 가진 고급 열가소성 수지를 사용합니다. 이러한 플라스틱에는 PC, 나일론 및 PEEK가 포함됩니다.

복합 재료는 다양한 재료 형태를 취할 수 있으며, 가장 일반적인 것은 선택적 레이저 소결(SLS)용 혼합 분말입니다. 및 혼합 FDM(Fused Deposition Modeling)용 필라멘트 . 덜 일반적이지만 특히 흥미로운 것은 연속 섬유와 결합된 기본 재료로 구성된 복합재입니다. 새로운 공정을 사용하여 인쇄되는 동안 열가소성 매트릭스에 실을 꿰거나 직조할 수 있습니다. 이러한 공정에는 일반적으로 두 개의 노즐이 필요합니다. 하나는 열가소성 수지를 증착하기 위한 것이고 다른 하나는 연속 섬유를 분배하기 위한 것입니다. 마지막으로 vat 광중합용 복합 수지도 제한되어 있습니다. 스테레오리소그래피(SLA)와 같은 3D 프린팅 프로세스; 이 기술을 사용하면 강화 섬유 골격 주위에 열경화성 수지 모재를 경화시킬 수 있습니다.

인기 있는 복합 3D 프린팅 재료

분말, 필라멘트 또는 기타 형태의 복합 3D 프린팅 재료는 일반적으로 높은 강도를 위해 개발됩니다. , 높은 강성 , 우수한 치수 안정성 , 우수한 중량 대비 강도 비율. 섬유는 매우 가벼우며 질량을 늘리지 않고도 열가소성 수지의 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 3D 인쇄된 엔지니어링 합성물은 금속 대신 사용할 수도 있습니다.

FDM 3D 프린팅 복합 재료를 위한 기본 열가소성 플라스틱은 PLA와 같은 범용 폴리머에 이르기까지 다양합니다. 및 ABS PEEK와 같은 고성능 폴리머에 이르기까지 프리미엄 끝에서. 나일론 복합 SLS 분말에 사용되는 주재료(일반적으로 레이저 소결에 사용되는 주재료임)이지만 PAEK와 같은 고성능 재료 사용할 수도 있습니다.

복합재 전체(외부 3D 프린팅 포함)를 볼 때 유리섬유 가장 널리 사용되는 강화 재료이며 3D 프린팅 복합 재료에서도 널리 사용됩니다. 그러나 적층 제조 내에서 탄소 섬유 복합 3D 프린팅은 탄소의 우수한 강도가 추가 비용의 가치가 있는 많은 중요한 응용 분야에 사용되기 때문에 유리보다 훨씬 더 널리 사용됩니다. 기타 강화 재료로는 케블라(Kevlar) 및 그래핀(graphene)이 있습니다.

기본 자료

• 폴리아미드/나일론(PA): 
• 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)
• 폴리락트산(PLA)
• 폴리카보네이트(PC)
• 폴리에테르이미드(PE)
• 폴리페닐렌 설파이드(PPS)
• 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)
• 폴리아릴에테르케톤(PAEK)

보강군

• 탄소 섬유
• 유리 섬유
• 유리 구슬
• 케블라
• 그래핀
• 기타 금속

시장에 나와 있는 브랜드 복합 재료의 예로는 EOS가 있습니다. PA 640-GSL , 유리 구슬과 탄소 섬유로 강화된 PA 12 나일론 SLS 분말, 3DXTech의 CarbonX PETG+CF , 잘게 잘린 탄소 섬유로 강화된 PETG FDM 필라멘트; 및 Markforged의 Onyx , Markforged의 독점적인 복합 인쇄 기술을 사용하여 연속 섬유로도 강화될 수 있는 탄소 섬유로 채워진 나일론 기본 소재입니다.

복합 재료를 위한 3D 프린팅 공정

몇 가지 예외를 제외하고 복합 3D 프린팅을 위한 핵심 3D 프린팅 기술은 FDM(Fused Deposition Modeling), SLS(Selective Laser Sintering) 및 연속 섬유 프린팅을 위한 새로운 기술입니다.

FDM

FDM은 플라스틱 부품에 가장 널리 사용되는 3D 프린팅 공정이며 많은 중가 기계에서 탄소 섬유 강화 ABS와 같은 복합 재료를 가공할 수 있습니다. FDM용 복합 재료는 열가소성 기본 재료와 (일반적으로) 잘게 잘린 불연속 섬유로 구성됩니다. 이러한 섬유는 인쇄된 부품을 강화하고 단단하게 만들 수 있지만 대량으로 사용하면 필라멘트를 인쇄하기 더 어렵게 만들고 표면 품질에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.

SLS

SLS는 복합 부품 생산에 적합한 또 다른 플라스틱 3D 프린팅 공정입니다. SLS 시스템의 비용과 복잡성으로 인해 이 기술은 대부분 산업 사용자가 사용합니다. 재료는 열가소성 분말(종종 나일론)과 잘게 잘린 섬유 또는 유리 구슬과 같은 강화 요소의 혼합물입니다. 복합 SLS 분말은 보편적이지 않습니다. EOS와 같은 하드웨어 제조업체는 복합 인쇄 전용 기계를 만듭니다.

새로운 연속 섬유 공정

적층 제조의 가장 최첨단 영역 중 하나는 연속 섬유로 복합 재료를 인쇄하는 것입니다. 개념은 다음 섹션에서 설명합니다. Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs 및 Anisoprint와 같은 회사는 일반적으로 별도의 노즐을 사용하여 연속 섬유를 각 개별 레이어에 공급하여 인쇄 중에 열가소성 부품에 연속 섬유를 통합할 수 있는 복합 적층 제조 하드웨어를 개발했습니다.

다단 섬유 대 연속 섬유 복합재

강화 섬유가 포함된 복합 3D 프린팅 재료는 절단 섬유 복합재와 연속 섬유 복합재의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 따라서 두 개의 서로 다른 복합 재료가 정확히 동일한 구성 재료를 포함할 수 있지만 절단된 섬유인지 연속 섬유인지에 따라 매우 다른 방식으로 성능을 발휘할 수 있습니다.

• 다진 섬유 탄소나 케블라와 같은 보강재의 작은 가닥입니다. 일반적으로 밀리미터 미만 측정 길이가 긴 이 스트랜드는 열가소성 매트릭스(PLA, ABS 등)에 쉽게 혼합되어 일반 플라스틱에 강도와 강성을 높입니다. 다진 섬유는 다용도이기 때문에 매우 유용합니다. :다양한 열가소성 수지와 혼합할 수 있으며 합성물을 일반 3D 프린터로 인쇄할 수 있습니다. 그러나 절단된 섬유가 기본 재료에 혼합될 때 각 개별 섬유는 임의의 방향을 취합니다. , 연속 섬유가 있는 재료보다 재료의 강도가 약합니다.
• 연속 섬유 , 반면에 더 길고 단방향입니다. 열가소성 매트릭스에 통합될 때 잘게 잘린 섬유에 비해 훨씬 우수한 강도를 제공하는 강화 재료 가닥. 이것은 가닥이 전체 길이에 걸쳐 하중을 흡수하고 분산할 수 있기 때문에 연속 길이가 길수록 내 하중 용량이 더 큽니다. 잘게 잘린 가닥보다. 지난 5년 정도에 걸쳐 연속 섬유 복합 3D 프린팅이 주류가 되었으며 여러 제조업체가 자체 기술을 개발했습니다. 말할 필요도 없이 연속 섬유 복합 인쇄는 전용 하드웨어가 필요하기 때문에 절단 섬유 복합 인쇄보다 더 비쌉니다.

복합재료의 응용

복합 재료는 다양한 산업 분야에서 다양한 용도로 사용되며 애플리케이션은 프로토타입에 걸쳐 있습니다. , 최종 사용 부품 및 도구 .

적층 제조 및 3D 인쇄 복합 재료를 사용하는 분야에는 항공우주, 자동차, 전자, 소비재, 의료, 등이 있습니다. 및 산업 . 이러한 산업의 대부분은 복합 3D 프린팅을 사용하여 규모가 작은 고강성 부품을 만듭니다(일부 대형 압출 하드웨어는 복합 재료를 인쇄할 수 있음).

강화 재료는 몰드 및 EOL(end-of-arm tooling)에 이상적이기 때문에 소규모 또는 대규모 툴링은 복합 3D 프린팅과 특히 관련성이 높은 애플리케이션입니다.

특정 기술과 관련하여 연속 섬유 3D 프린팅은 FDM 또는 SLS와 비교할 때 가장 큰 잠재적 응용 분야를 제공하지만 아직 초기 단계에 있고 잘게 썬 섬유 3D 프린팅 기술만큼 널리 사용되지는 않습니다.