연속 섬유 3D 프린팅 재료 비용 절감

DLR 복합 구조 및 적응 시스템 연구소(독일 브라운슈바이크)는 설계에서 인증, 디지털화 및 인더스트리 4.0, 재활용 및 적층 복합 구조의 4가지 전략 분야에서 신기술을 추구하는 경량 건축 분야의 선도적인 연구 기관입니다. CW 는 올해 초 연구소의 EmpowerAX 혁신 연구소에서 3D 인쇄 복합 재료 산업으로의 적층 압출의 이전을 가속화, 강화 및 확대하기 위해 보고했습니다. 또한 적층 압출 시뮬레이션, 3D 프린팅 성능 향상을 위한 열가소성 수지 수정, 연속 섬유를 사용한 프린터 필라멘트 생산을 포함한 일련의 R&D 프로젝트를 완료하고 있습니다.

ENDLOSEFFEKT("무한 효과")라는 제목의 이 마지막 프로젝트는 무한 길이 섬유 강화 재료의 생산성, 품질 및 비용을 개선하기 위해 설계되었습니다. 브라운슈바이크에 있는 DLR 복합 구조 및 적응 시스템 연구소에서 적층 제조를 담당하는 Maik Titze는 "미리 함침된 연속 섬유 인쇄 필라멘트의 가용성은 제한적입니다."라고 설명합니다. “이러한 제한된 가용성과 사용 가능한 재료의 다양성, 재료 가격은 적용의 장벽을 구성합니다. 우리는 FDM[융합 증착 모델링]을 위한 표준 절단 섬유 충전 필라멘트를 생산하는 데 사용된 동일한 장비가 연속 섬유 강화 필라멘트도 생산할 수 있도록 함침 노즐을 설계하고 싶었습니다. 이 장비는 연속 섬유 강화 재료로 3D 프린팅 비용을 절감하는 것을 목표로 3D 프린터 필라멘트를 제조하는 회사를 위한 것입니다.”

현재 대부분의 연속 섬유 강화 3D 프린터 필라멘트는 연속 섬유 인쇄 기계를 판매하는 동일한 회사에서 제조되며 각 재료는 하나의 특정 인쇄 시스템에 맞게 개발 및 최적화됩니다. 이러한 재료는 다소 비용이 많이 드는 경향이 있습니다.

Titze는 "우리의 아이디어는 모든 크기의 건조 섬유(예:최대 50K까지의 1K 탄소 섬유 견인)로 시작한 다음 압출을 통해 상용 열가소성 펠릿 또는 과립에서 직접 용융 함침을 사용하는 것입니다. “섬유를 함침시키기 위해 폴리머 분말이나 호일을 생산할 필요도 없고 값비싼 프레스나 수백 개의 롤러를 사용할 필요도 없습니다. 따라서 처리가 훨씬 더 접근 가능하고 저렴해집니다.”

프레스, 벨트 및 롤러 대신 DLR은 초음파를 사용하는 시스템을 고안했습니다. Titze는 "우리는 섬유를 둘러싸고 있는 용융된 열가소성 수지에 진동을 전달하는 19.5킬로헤르츠 소노트로드를 사용합니다."라고 설명합니다. “이 매트릭스와 강화 에서 초당 19,500번으로 매우 우수한 함침 결과를 보여줍니다.”

공정 경로는 섬유 확산 및 가열로 시작됩니다(그림 1). 이 보강재는 용융된 폴리머가 주입되는 밀봉된 챔버에 공급됩니다. 섬유가 이 챔버를 통과할 때 용융된 수지가 섬유를 코팅합니다. "섬유와 폴리머는 길이가 80밀리미터로 매우 작고 컴팩트한 초음파 챔버로 진행됩니다."라고 Titze는 말합니다. “소노트로드 방출 진동은 섬유 강화 폴리머 필라멘트를 진동시켜 원하는 모양으로 노즐을 빠져 나옵니다. 예를 들어 노즐은 원형 또는 납작할 수 있습니다."

그림 2의 현미경 사진은 50% 섬유 부피에서 폴리락트산(PLA), 폴리아미드(PA) 및 폴리에테르이미드(PEI)가 함침된 12K 탄소 섬유를 보여줍니다. Titze는 섬유 부피를 다이 노즐 설계를 통해 조정할 수 있다고 말합니다(30-50%). “우리는 최대 60%가 가능할 것이라고 믿습니다. 전반적으로 프로세스에 더 많은 작업이 필요하지만 초기 결과 및 이(가) 좋은 것으로 나타났습니다. 5밀리미터/초의 라인 속도." 그는 이것이 느리고 경제적이지 않다는 점을 인정하지만 이미 분당 3미터에 도달하는 것을 목표로 하는 새로운 장비 설계가 6월에 테스트될 예정이었습니다.

"일반적으로 속도는 분당 10미터에 가깝습니다."라고 Titze는 말합니다. "그러나 이 기술은 또한 새로운 재료 조합의 유연한 생산을 가능하게 하므로 약간 더 낮은 속도는 더 적은 양의 생산을 저렴하게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.

DLR이 개발한 프로세스는 한 가지 재료에 대해 선택적인 것이 아니라 어떤 섬유나 폴리머라도 사용할 수 있다고 Titze는 말합니다. “공정이 계속해서 혼성화되고 새로운 재료가 필요하기 때문에 이것은 중요합니다. 3D 프린팅을 위한 재료는 더욱 경쟁력을 갖추어야 합니다. 그렇지 않으면 연속 섬유 3D 프린팅의 미래가 밝지 않을 것입니다. 열가소성 펠릿이나 그래뉼을 사용하여 비용을 크게 낮출 수 있고 장비가 작은 설치 공간에 들어갈 수 있어 소규모 회사도 구현할 수 있습니다.”

DLR 복합 구조 및 적응 시스템 연구소(DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems)는 이 프로젝트를 2019년 10월에 시작하여 2022년 1월에 완료할 예정입니다. Titze는 "우리의 목표는 기술을 더욱 소형화하고 이를 프린트 헤드에 통합하는 것입니다."라고 말합니다. “따라서 이것은 인쇄와 함께 인라인으로 직접 함침됩니다. 두 가지 접근 방식 산업으로 이전될 것”이라고 말했다. 그는 정부의 비영리 단체로서 DLR은 어떤 것도 "판매"하지 않을 것이며 따라서 독점권. "우리의 목표는 프린트 헤드 공급업체를 참여시켜 재료 가격을 전반적으로 낮추고 연속 섬유 적층 제조의 산업적 적용을 확대하는 것입니다."