3D 프린팅 복합 소재 탐구: 엔지니어를 위한 실용 가이드

적층 제조는 PEEK 같은 고성능 열가소성 수지부터 티타늄 같은 항공우주용 금속까지 다양한 재료와 함께 사용할 수 있습니다.

하지만 때로는 엔지니어가 두 가지 다른 재료의 특성을 결합하고 싶어하는데, 이를 위한 가장 좋은 방법 중 하나가 복합 소재를 사용하는 것입니다. FDM과 SLS 같은 공정(그리고 새로운 기술들)에서 사용되는 복합 소재는 일반적으로 베이스 열가소성 소재와 보강 요소(탄소 섬유 등)를 포함합니다. 두 요소의 비율은 다양할 수 있으며, 보강 소재를 통합하는 방법도 다양합니다.

3D 프린팅 기술이 지속적으로 개선됨에 따라 3D 프린팅 가능 복합 소재의 사용이 점점 더 보편화되고 있습니다. 그리고 그 용도가 산업계에만 국한되지 않습니다. 일부 복합 소재(SLS 파우더 등)는 주로 산업용 사용자를 대상으로 하지만, 다른 것들(잘게 썬 섬유 강화 열가소성 수지 등)은 중가형 FDM 3D 프린터에서 소비자와 전문가가 사용할 수 있습니다.

이 글은 3D 프린팅 복합 소재에 대한 입문 가이드 역할을 합니다. 인기 있는 복합 소재와 복합 소재 프린팅 기술을 살펴보고, 잘게 썬 섬유와 연속 섬유 복합 소재의 차이점을 설명하며, 3D 프린팅 복합 소재의 주요 용도와 이점을 고려합니다.

복합 3D 프린팅 소재란?

간단히 말해 복합 소재는 서로 다른 두 가지 이상의 소재로 구성된 소재입니다. 복합 3D 프린팅 전문 기업 마크포지드(Markforged)는 복합 소재를 "둘 이상의 소재로 구성되어 결합 시 원래 소재와 다른 특성을 갖는 것"으로 정의합니다.

3D 프린팅 외부의 복합 소재 예시로는 합판(서로 다른 나무 베니어 층)과 철근 콘크리트(강철 바로 강화된 콘크리트)가 있습니다.

3D 프린팅 내에서 복합 소재는 일반적으로 열가소성 베이스 소재(매트릭스)와 탄소 섬유, 유리 섬유, 그래핀, 또는 케블라 같은 보강 요소의 조합입니다. (PLA + ABS 같은 두 열가소성 수지의 혼합은 일반적으로 블렌드라고 부르며 복합 소재라 하지 않습니다.) 베이스 소재는 거의 모든 것이 될 수 있지만, 산업용 사용자는 보강 요소 없이도 좋은 소재 특성을 가진 프리미엄 열가소성 수지를 주로 사용합니다. 그런 플라스틱으로는 PC, 나일론, PEEK 등이 있습니다.

복합 소재는 다양한 소재 형태를 취할 수 있으며, 가장 일반적인 것은 선택적 레이저 소결(SLS)용 혼합 파우더와 융합 적층 모델링(FDM)용 혼합 필라멘트입니다. 덜 일반적이지만 특히 흥미로운 것은 연속 섬유와 결합된 베이스 소재로, 새로운 공정을 사용해 프린팅되는 동안 열가소성 매트릭스에 실처럼 꿰매거나 직조할 수 있습니다. 이런 공정은 일반적으로 두 개의 노즐이 필요합니다: 하나는 열가소성 수지를 증착하고, 다른 하나는 연속 섬유를 분배합니다. 마지막으로 광경화성 수지(SLA) 같은 VAT 광중합 3D 프린팅 공정용 복합 레진도 제한적으로 존재합니다. 이 기술에서는 열경화성 수지 베이스 소재가 보강 섬유 골격 주위로 경화됩니다.

복합 소재용 3D 프린팅 공정

몇 가지 예외를 제외하면 복합 3D 프린팅의 핵심 기술은 융합 적층 모델링(FDM), 선택적 레이저 소결(SLS), 연속 섬유 프린팅용 새로운 기술들입니다.

FDM

FDM은 플라스틱 부품에 가장 널리 사용되는 3D 프린팅 공정이며, 많은 중가형 장비가 탄소 섬유 강화 ABS 같은 복합 소재를 처리할 수 있습니다. FDM용 복합 소재는 열가소성 베이스 소재와 (보통) 잘게 썬 불연속 섬유로 구성됩니다. 이 섬유는 프린트된 부품을 강화하고 강성을 높이지만, 많은 양에서는 필라멘트 프린팅을 어렵게 만들고 표면 품질에 부정적 영향을 줄 수도 있습니다.

SLS

SLS는 복합 부품 생산에 적합한 또 다른 플라스틱 3D 프린팅 공정입니다. SLS 시스템의 비용과 복잡성 때문에 이 기술은 주로 산업용 사용자가 사용합니다. 소재는 열가소성 파우더(주로 나일론)와 잘게 썬 섬유나 유리 비드 같은 보강 요소의 혼합입니다. 복합 SLS 파우더는 범용이 아닙니다. EOS 같은 하드웨어 제조업체가 복합 프린팅 전용 기계를 만듭니다.

새로운 연속 섬유 공정

적층 제조에서 가장 최첨단 분야 중 하나는 연속 섬유 복합 소재 프린팅입니다. 마크포지드(Markforged), 데스크톱 메탈(Desktop Metal), 오비탈 컴포지츠(Orbital Composites), 9T 랩스(9T Labs), 아니소프린트(Anisoprint) 같은 기업들이 프린팅 중 열가소성 부품에 연속 섬유를 통합할 수 있는 복합 적층 제조 하드웨어를 개발했습니다. 일반적으로 별도 노즐을 사용해 각 레이어에 연속 섬유를 공급하는 방식입니다.

잘게 썬 섬유 vs 연속 섬유 복합 소재

보강 섬유가 있는 복합 3D 프린팅 소재는 두 가지 뚜렷한 범주로 나뉩니다: 잘게 썬 섬유 복합 소재와 연속 섬유 복합 소재. 따라서 두 복합 소재가 정확히 같은 구성 소재를 포함하더라도, 잘게 썬 섬유인지 연속 섬유인지에 따라 성능이 매우 다를 수 있습니다.

잘게 썬 섬유는 탄소나 케블라 같은 보강 소재의 미세한 가닥입니다. 일반적으로 길이 1mm 미만으로, 열가소성 매트릭스(PLA, ABS 등)에 쉽게 혼합되어 일반 플라스틱에 강도와 강성을 더해줍니다. 잘게 썬 섬유는 매우 다재다능합니다: 다양한 열가소성과 혼합 가능하며, 결과 복합 소재를 일반 3D 프린터로 프린트할 수 있습니다. 하지만 잘게 썬 섬유가 베이스 소재에 혼합되면 각 섬유가 무작위 방향을 갖게 되어 연속 섬유 소재보다 강도가 낮습니다.
연속 섬유는 더 길고 단방향인 보강 소재 가닥으로, 열가소성 매트릭스에 통합되면 잘게 썬 섬유보다 월등히 우수한 강도를 제공합니다. 가닥이 전체 길이에 걸쳐 하중을 흡수하고 분산시킬 수 있으므로, 더 긴 연속 길이가 잘게 썬 미세 가닥보다 더 큰 하중 지지 능력을 가집니다. 불과 5년 전쯤에야 연속 섬유 복합 3D 프린팅이 주류가 되었으며, 여러 제조업체가 독자 기술을 개발했습니다. 말할 것도 없이 연속 섬유 복합 프린팅은 전용 하드웨어가 필요해 잘게 썬 섬유 복합 프린팅보다 비쌉니다.