모세관 구동 연속섬유 3D 프린팅: 델라웨어대 연구진의 돌파구

연속섬유 3D 프린팅 신규 연구가 우주 등 다양한 산업용 적층 제조 복합재 부품 잠재력을 보여준다. 학술지 Matter에 게재된 델라웨어 대학교(미국 델라웨어 Newark) 복합재료센터(CCM) 연구진이 로봇공학과 모세관 기반 인시투 열경화 시스템을 결합한 연속섬유 3D 프린팅 실험실 규모 신공법을 발표했다. 고온 열경화성 수지로 빠르고 적층 제조된 탄소섬유 복합재 부품 제작이 가능하다.

델라웨어대 조교수이자 연구 저자 Dr. Kun Fu는 "원스텝 3D 프린팅이라 부른다"며 국소 평면 열보조(LITA) 3D 프린팅 공법이라 명명했다. 시스템은 로봇 팔에 장착된 올인원 프린트헤드로 구성되며, 스풀에서 공급되는 탄소섬유, 가이드 바, 액체 수지 노즐, 전기 히터를 포함한다. 섬유가 부품 표면에 배치됨과 동시에 액체 수지가 섬유에 분사되고 즉시 히터가 뒤따르는데, Fu 설명에 따르면 이는 인퓨전과 경화 모두를 돕는다. 가열 공정으로 상온 수지 점도가 낮아져 진공 없이 모세관(섬유 사이 관 모양 간극)을 통해 섬유 내 수지 인퓨전이 가능해진다. 제조 중인 부품 니즈와 크기에 따라 히터 온도를 조절해 수지 점도 제어가 가능하다고 Fu는 덧붙인다.

공법 특징 및 시연 결과

이 공법은 연속섬유와 열경화성 수지 동시 습윤·경화를 거의 실시간으로 가능케 해 복잡한 형상 3D 복합재 부품을 연속섬유와 고온 열경화성 수지에서 기인한 고기계적 물성으로 신속 제작할 잠재력을 보인다. 연구진은 수평·수직 프린팅, 평면·곡면 모두 가능함을 시연해 시스템 유연성을 더했다고 Fu는 말한다.

"기술이 지금까지 매우 유망하다"며 Fu는 "우리가 아는 한 이런 기술 발표는 최초"라고 말한다. 특허 출원 준비 중이다.

NASA 지원 및 상용화 전망

델라웨어대와 파트너 KAI(미국 텍사스 Dallas)는 최근 NASA 보조금을 받아 LITA 3D 프린팅 공법으로 NASA 우주선·랜더 시스템 열보호 시스템용 연속 탄소섬유 강화 복합재 부품 제조에 나선다. Fu에 따르면 LITA 시스템이 고온 수지 프린팅 능력으로 선정되었다.

현재 기술은 소규모 시연만 된 상태(연구에 3K 탄소섬유 사용)지만, Fu는 팀이 더 넓은 탄소섬유 토우로 대형 부품 제작 가능한 로봇 시스템 스케일업 중이라고 밝혔다. 현재 기술 스케일업과 후속 상용화 협력 희망 기업을 찾고 있다.

Matter 논문 전문은 www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520301818 참조.