적층 제조의 혁신: 대형 섬유 강화 열경화성 수지 3D 프린팅

복합소재 애플리케이션 장비 선도 제조업체인 매그넘 비너스 프로덕츠(MVP)는 2017년 리액티브 적층 제조(RAM) 머신 개발을 시작했습니다. 같은 해, 열경화성 폴리머, 젤코트, SMC 공급업체인 폴린트(Polynt)는 오크리지 국립연구소(ORNL)와 협력하여 RAM 시스템에 사용할 리액티브 소재 개발을 시작했습니다. CAMX 2018(10월 15-18일, 댈러스, 텍사스)에서 팀의 노력이 열경화성 소재용 대면적 3D 프린터로 ACE 무한 가능성 상을 수상하며 인정받았습니다. 이번 주 CW는 에너지부(DOE) 제조 시연 시설(MDF)에서 이 세 파트너가 세계 최초의 대형 열경화성 복합소재 적층 제조 시스템을 시연하는 론칭 행사에 참석했습니다.

MVP의 리액티브 적층 제조(RAM) 머신과 폴린트 리액티브 증착 PRD-1520 프린트 소재가 오크리지 국립연구소(ORNL)에서 시연되고 있습니다. 출처 | CW

리액티브 적층 제조(RAM)

UV 경화 열경화성 수지로 3D 프린팅을 가능하게 하는 기술이 개발되었지만, RAM과 폴린트 리액티브 증착 PRD-1520 프린트 미디어는 현재 빌드 엔벨로프가 8피트 x 16피트 x 3.5피트인 최초의 대형 시스템으로, UV 활성화 없이 상온에서 경화되는 리액티브 수지를 사용합니다. 이 기술은 저비용 지그, 열성형 툴, 오토클레이브 몰드뿐만 아니라 더 광범위한 애플리케이션을 대상으로 합니다. "RAM은 향상된 열적 특성으로 더 강하고 에너지 효율적인 제품을 제공합니다."라고 MVP CEO 밥 반더호프가 설명했습니다.

RAM 시스템은 대형 프린트 플랫폼과 바닥 장착형 MVP 펌핑 시스템으로 구성되며, 컴퓨터 제어 갠트리에 프린트헤드만 장착됩니다. 펌핑 시스템은 단섬유 강화 비닐 에스테르 수지와 과산화물 개시제를 프린트헤드의 정적 믹서로 정확하게 계량 및 공급합니다. 혼합된 수지는 대부분의 용융 증착 모델링(FDM) 시스템과 유사하게 노즐을 통해 압출됩니다. "1.2mm 직경 노즐 사용 시 프린트 속도는 약 1.2m/초입니다."라고 ORNL 열경화성 폴리머/복합소재 적층 제조 기술 리드 존 린달은 말했습니다. "RAM은 FDM급 피처를 구현하면서도 시간당 약 7kg(15lb)의 높은 출력량을 달성할 수 있습니다."

출처 | https://www.mvpind.com/3d-printer/

빌드 플랫폼은 8개 세그먼트로 구성된 모듈식입니다. "각 세그먼트는 쉽게 분리 및 인덱싱 가능합니다."라고 ORNL 제조 과학 그룹 리더 블라스트밀 쿤츠는 말합니다. "손가락으로도 움직일 수 있을 정도라, 하나를 꺼내 후경화나 가공을 위해 다른 것으로 교체할 수 있습니다." 이는 프로세스를 모듈화하여 대량 부품 생산으로 확장 가능하게 합니다. "픽-앤-플레이스 로봇 기능도 RAM에 통합되어 필요에 따라 센서, 열전대, RFID 태그, 발열체 등을 임베드할 수 있습니다."라고 그는 덧붙입니다.

"RAM은 빌드 중 발열과 온도를 모니터링하기 위해 적외선 카메라와 광학 센서도 장착되어 있습니다."라고 린달은 언급합니다. "우리는 반무한 벽(가장 까다로운 빌드 피처)을 사용하여 1D 열-화학-레올로지 모델을 개발했습니다. 이 모델은 프린트 수지와 반응을 기반으로 필요한 레이어 시간, 프린트 속도(부피 출력), 발열 온도를 알려줍니다. 이 모든 것이 RAM 프린트 파라미터 최적화와 젤화, 경화, 완전 프린트 중 프린트된 수지의 점탄성 거동을 완전히 이해하는 데 가이드 역할을 합니다."

RAM 프린터는 ORNL의 열-화학-레올로지 모델로 정의된 최적화된 파라미터에 대한 발열과 준수 여부를 모니터링하는 적외선 카메라와 광학 센서를 장착하고 있습니다. 출처 | CW

효율성을 위한 폴린트 리액티브 증착(PRD-1520)

PRD-1520은 펌핑과 3D 프린팅을 위해 고점도(250-300만 cPs)로 설계된 사전 촉진, 사전 컴파운딩된 불포화 비닐 에스테르 수지입니다. MVP RAM 프린터용으로 설계되었으며, 낮은 수축률과 94°C/201°F의 열변형 온도(HDT), 107°C/225°F의 유리 전이 온도를 가집니다. 이는 3D 프린팅 필라멘트 공급업체 자료에 따르면 PLA 56°C, ABS 88-98°C, 나일론 110°C의 HDT와 비교됩니다. "그러나 PRD-1520의 특허 출원 중인 화학은 프린트된 층 간의 화학적 결합을 가능하게 하여, Z-방향 강도가 열가소성 수지 대비 2-4배 더 큰 것을 포함하여 3D 프린트 구조물의 특성을 향상시킵니다."라고 폴린트 R&D 디렉터 스티브 폭스가 설명했습니다. 그는 또한 수지의 긴 오픈 타임(젤 타임 20-25분)을 언급하며, "이로 인해 레이어 간 긴 간격과 정지/시작을 포함한 대형 구조물 프린팅이 가능합니다."라고 말했습니다. 이전에 증착되었으나 여전히 부드러운 소재 위에 프린팅할 수 있는 이 능력은 툴 경로 자유도를 크게 높입니다.

"우리가 개발한 툴 경로 개발은 열경화성 소재에 고유합니다."라고 린달이 설명했습니다. "희소 인필로 시작하여 무공극 레이어로 마무리하는 매우 효율적인 구조를 프린트할 수 있습니다. 0°/90° 교대 레이어로 시작하여 단일 전이 레이어에서 0°와 90° 프린트 경로를 결합한 후 솔리드 프린트 레이어로 마무리합니다. 이를 통해 프린트 소재뿐만 아니라 중량, 프린트 시간, 비용도 크게 절감하면서 대형 표면을 프린트할 수 있습니다." 이 기술을 설명하는 기술 논문은 ORNL 박사후 연구원 크리스 허시가 CAMX 2019에서 9월 26일 목요일 오전 10시에 발표할 예정입니다. "희소 인필 구조의 대형 리액티브 압출 증착과 솔리드 외곽"은 이미 CAMX 2019 우수 기술 논문상과 적층 제조 컨퍼런스 트랙 최우수 논문상을 수상했습니다.

"PRD-1520을 사용하면 RAM은 현재 폴리머 및 복합소재용 가장 에너지 효율적인 3D 프린터입니다."라고 린달은 말합니다. 주목할 점은 열경화성 소재가 가열된 테이블이나 챔버를 필요로 하지 않는다는 것입니다. 또한 열가소성 펠릿을 녹이는 데 일반적으로 필요한 열도 필요 없습니다.

"우리는 폴린트, MVP와 차세대 리액티브 폴리머 적층 제조를 연구하며 상호 유익한 협력을 누려왔습니다."라고 MDF 디렉터 빌 피터는 말했습니다. "DOE 첨단 제조국의 지원으로, 우리는 이 기술을 개선하고 기초 과학을 더 잘 이해하는 기초 연구를 지속하는 동시에, 산업 파트너들과 함께 더 에너지 효율적인 공정과 애플리케이션을 시연할 계획입니다."

자세한 내용은 CAMX 2019(9월 23-26일, 애너하임, 캘리포니아)에서 MVP 부스 G2와 ORNL 부스 S25를 방문하거나, MVP의 한나 제이, 폴린트의 릭 파우어, ORNL의 제니퍼 버크에게 문의하세요.