자동차 및 항공우주 위한 모듈러 정밀 프린팅 솔루션

APS 테크 솔루션은 오스트리아 횐스트 소재 아우토마티시어테 프로덕티온스 시스템 GmbH(Automatisierte Produktions Systeme GmbH)의 한 부문입니다. 1987년 설립된 이 회사는 자동차, 항공, 기계 시장에서 3D 워터젯 절단 및 툴링 기계용 엔지니어링, 기계, 로봇 솔루션을 제공합니다.

"3년 전 우리는 매우 다재다능한 3D 프린터를 원했지만 우리 요구사항을 충족하는 것을 찾을 수 없었습니다."라고 APS 테크 솔루션 비즈니스 개발 니콜라이 와믈(Nicolai Wampl)은 말합니다. "그래서 우리 자신의 시스템인 위자드 480+(Wizard 480+)을 만들었고, 작년에 출시했습니다. 연속 섬유, 표준 열가소성 필라멘트, 금속, 세라믹으로 프린팅할 수 있습니다."

위자드 480+는 길이 400mm x 폭 230mm x 높이 370mm 프린트 볼륨을 가지며 프린트 베드는 200°C까지 가열 가능합니다. 연속 섬유 필라멘트 프린팅용 노즐은 500°C까지 가열 가능합니다.

산업용 복합소재를 위한 또 다른 데스크톱 프린터가 정말 필요할까요? "우리의 목표는 산업용 데스크톱 프린터가 아니라 실제 산업용 기계였습니다."라고 와믈은 말합니다. "제약 없이 다재다능하지만 압도적이지 않은 설정을 원했습니다. 예를 들어 저가 데스크톱 프린터를 수정해 더 다재다능하게 만들 수 있지만 많은 노하우와 시간이 필요합니다. 반대편엔 대량 부품을 몇 가지 소재로 프린팅할 수 있는 산업용 프린터가 있지만, 새 소재로 프린팅하려면 어려워집니다. 우리는 시장에 있는 모든 소재로 고품질 부품을 프린팅하고 싶었습니다." 예를 들어 아래 논의된 스탬핑 툴 예비 부품은 0.02mm 정확도가 필요했습니다.

"우리가 작업하는 3D 워터젯 절단 및 툴링 기계는 정확하게 제작되어야 올바르게 작동합니다."라고 와믈은 설명합니다. "우리는 이 지식을 위자드 480+에 담아 프린팅 부품 정확도를 높였습니다. 또 다른 차이점은 CNC 기계처럼 툴 체인징 시스템이 있어 한 번 프린팅에 여러 종류의 소재를 사용할 수 있다는 것입니다. 예를 들어 고객이 한 프린팅에 두 가지 다른 연속 섬유를 사용하고 싶다면 프린트 헤드가 교환 가능하므로 가능합니다. 프린팅은 PEEK[폴리에테르에테르케톤], PEKK[폴리에테르케톤케톤] 같은 고성능 플라스틱과 폴리아미드[PA], 상용 FDM[융착 적층 모델링] 필라멘트를 사용할 수 있습니다. 모든 부품에 연속 섬유가 필요한 것은 아닙니다. 우리는 강철이나 티타늄 같은 세라믹과 금속 그린 파트용 프린트 헤드도 있습니다. 세라믹과 금속 파트는 2단계에서 소결이 필요하고 이 고온 후처리 때문에 플라스틱을 포함하지 않습니다."

개방형 시스템

"대부분 회사는 금속과 비금속용으로 두 대의 별도 기계를 가지고 있습니다."라고 와믈은 지적합니다. "하지만 신규 개발 시 새로운 소재를 시험할 때마다 새 프린터를 사고 싶지는 않습니다. 우리는 닫히고 제한된 시스템이 아니라 모듈식, 유연한 시스템을 원했습니다. 이를 통해 프린팅 부품을 향상시키거나 변경할 수 있습니다." 예를 들어 고객이 연속 섬유와 열가소성 폴리우레탄(TPU)으로 프린팅하고 싶을 수 있습니다. "이건 점도가 너무 빨리 떨어져 프린팅 중 일관성 유지가 어려운 까다로운 소재입니다. 하지만 우리는 이것을 수용할 수 있는 프린터를 원했습니다."

위자드 480+는 유리섬유나 구리선을 포함한 모든 연속 필라멘트로 프린팅하도록 설계되었습니다. "우리의 표준 연속 섬유 필라멘트는 1K 탄소섬유/PA지만 PEEK와 PLA[폴리락트산]도 사용해 봤고 3K 탄소섬유까지 가능합니다."라고 와믈은 말합니다. APS 테크 솔루션은 연속 필라멘트를 시장에 공급하고 싶지만 프린터는 이것들에 제한되지 않습니다.

위자드 480+는 소프트웨어에서도 개방적입니다. "우리는 항상 특수 엔지니어링이 필요했습니다."라고 와믈은 말합니다. "그래서 최대한 많은 제어권을 갖고 싶었습니다. 많은 프린터에서는 소프트웨어에 의해 조금 제한됩니다. 하지만 우리 소프트웨어로는 섬유를 원하는 곳에 정확히 배치할 수 있고 어떤 알고리즘에도 제한되지 않습니다. 알고리즘을 사용해 섬유가 어디에 있어야 할지 생성할 수 있지만, 엔지니어가 부품이 어떻게 사용될지, 어떤 힘이 어디에 가해지는지 알기 때문에 섬유 배치를 제어하길 원했습니다."

그렇다고 시스템이 어렵지는 않다고 와믈은 말합니다. "예를 들어 두 가지 다른 소재로 프린팅하려면 CAD에서 두 가지 다른 파트를 만듭니다. 그런 다음 어떤 파트를 어떤 소재로 프린팅할지 심플리파이3D(Simplify3D, 미국 오하이오주 신시내티)로 선택합니다. 많은 산업용 3D 프린터에 사용되는 슬라이서 소프트웨어입니다. 그러면 우리는 G코드를 생성하는 포스트 프로세서를 가집니다. 심플리파이3D는 인필 레이어 높이와 밀도 같은 모든 프린팅 파라미터 설정을 가능하게 합니다. 포스트 프로세스에서는 파일을 드래그 앤 드롭하면 우리 기계에 맞게 조정됩니다. 툴 체인저와 연속 섬유 필라멘트 사용 같은 우리 기능은 그리 흔하지 않기 때문입니다."

"우리에겐 정말 한 가지 제약만 있습니다."라고 와믈은 말합니다. "프린팅된 필라멘트 길이입니다. 최소 20mm 길이입니다. 엔지니어가 특정 프린팅 길이를 20mm 미만으로 만들면 복잡해지고 포스트 프로세서가 불가능하다고 알립니다."

기대되는 품질, 제공되는 품질

첫 위자드 480+ 고객은 고성능 스탬핑 툴 제조업체 스테퍼 프리츠 GmbH & Co. KG(독일 포르츠하임)이었습니다. "그들은 툴 중 하나 예비 부품이 필요해 우리가 프린팅할 수 있는지 물었습니다."라고 와믈은 말합니다. "복잡한 형상과 연속 탄소섬유, 열가소성 매트릭스, 수용성 서포트 조합 필요로 인해 작업용 3D 프린터를 찾는 데 어려움을 겪었습니다." 이 부품 이전 버전은 CNC 가공 알루미늄으로 제작되었습니다. "우리는 모양 변경 없이 부품을 프린팅했고 인서트용 나사산도 통합했습니다."라고 와믈은 말합니다. "외부 쉘에는 시판 절단 탄소섬유 충전 PA 필라멘트를, 내부에는 우리 연속 탄소섬유/PA 필라멘트를 사용했습니다."

스테퍼가 부품을 평가해 요구 정확도 충족을 확인하고 우리 첫 기계를 주문했다고 와믈은 말합니다. "2020년 7월부터 문제 없이 가동 중이고 여전히 이 정확도로 부품을 생산한다고 알려왔습니다."

개봉 이미지 상단의 마이크로그래프에서 보듯 프린팅된 섬유 강화 복합소재 품질도 높습니다. APS 테크 솔루션 1K 연속 탄소섬유 강화 PEEK 필라멘트 5층을 특징으로 하며, 부품은 프린팅 직후 추가 통합이나 후처리 없이 절단 및 마이크로그래프 촬영되었습니다. 소재는 FH 포어알베르크(독일 포어알베르크 응용과학대학)에서 테스트되고 바이에른 대학(독일 바이에른)에서 마이크로그래프 촬영되었습니다. 결과는 인장 강도 1,060메가파스칼, 굴곡 강도 750메가파스칼을 보였습니다. "하지만 이것은 매우 예비적 테스트였고 우리는 이제 더 표준화된 테스트를 준비 중인데, 기술자들이 더 높은 특성을 달성할 것으로 믿습니다."라고 와믈은 말합니다.

"현재 우리 판매는 주로 시장에서 만족하지 못하는 스테퍼 같은 대학과 기업들에 집중되어 있습니다."라고 와믈은 말합니다. "좋은 기술의 연속 섬유 3D 프린터들이 있지만 대부분 소재나 소프트웨어에서 제한됩니다. 우리 목표는 최고 품질 부품과 유연성이 필요한 고객들, 즉 기계 및 특수 엔지니어링 회사, 소재 과학 및 개발 분야에서 일하는 이들을 지원하는 것입니다."

회사는 6축 로봇 암 적용 시스템 적응, 우주 응용 분야 소재 등 자체 신규 개발 작업을 계속하고 있습니다. "우리는 3D 프린팅 복합소재가 지금까지 본 것보다 훨씬 더 넓은 응용 분야를 가진다고 믿으며, 그 지평을 넓히고 산업용 부품에 새로운 가능성을 가능하게 하고 있습니다."