첨가제 복합소재의 발전: 트렌드, 기술, 미래 방향

2020년 10월, CW는 연속 섬유를 이용한 복합소재 3D 프린팅과 개발 중인 기술 현황, 사용되는 공정 분류에 대해 보도한 바 있다. 후자는 뮌헨 공과대학(TU Munich) 탄소 복합소재 연구소(Lehrstuhl für Carbon Composites, LCC)의 연구원이자 적층 제조 전문가인 알렉산더 마친스키(Alexander Matschinski)가 기여했다.

CW가 다시 LCC와 협력하여 이번에는 기존 복합소재 제조와 적층 제조(AM)의 경계면에서 개발 중인 공정에 초점을 맞춘 더 넓은 적층 복합소재 제조(ACM) 환경을 조명한다. "연속 섬유 3D 프린팅 분류 밖에 있는 기술들이 점점 더 많아지고 있습니다. 이들은 자동화된 복합소재 제조와 AM을 결합하여 지금까지 불가능했던 새로운 솔루션을 제시합니다."라고 LCC 연구원 토마스 베테만(Thomas Wettemann)은 말한다.

LCC 자체도 자동화된 섬유 배치(AFP)와 필라멘트 와인딩(FW)을 압출 기반 ACM과 결합하여 기존 공정과 3D 프린팅의 경계를 허물고 있다(미래 복합소재 제조 - AFP와 적층 제조 참조). "우리는 또한 기존 열가소성 압출에서 RTM(수지 전이 몰딩)을 위해 개발한 기술을 초음파와 결합하여 열경화성 수지 3D 프린팅으로 전환하고 있습니다."라고 LCC 부소장 스벤 차렘바(Swen Zaremba) 박사는 말한다. 동시에 LCC는 ACM 표준 개발과 소재 및 공정 개선에도 힘쓰고 있다.

참고로, 더 넓은 ACM 환경에는 FDM(융합 증착 모델링)을 사용한 다진 섬유 필라멘트 압출, SLS(선택적 레이저 소결)용 분말 섬유 소재, 자기 지향 필러와 DLP(디지털 광처리)를 이용한 고도로 맞춤화된 부품(포티파이(Fortify, 미국 매사추세츠주 보스턴) 개발) 등이 포함된다. 이들 공정도 복합소재 부품을 생산하며 새로운 시장과 응용 분야를 열지만, 본 논의는 연속 섬유 강화 분야에 집중한다.

 

ACM이란 무엇인가?

"우리는 보통 이 논의와 새로운 기술 개발 동기를 먼저 다룹니다."라고 차렘바는 말한다. 2019년 1월 SAMPE 발표에서 베테만이 설명한 바와 같이, 동기는 대량 생산을 넘어선 비용 효율적인 생산(로트 사이즈 1 포함)으로, 자원 보존, 폐기물 최소화 또는 제거, 환경 및 기후 친화적이다. "또한 복합소재 공정 체인을 완전히 디지털화하는 길을 제공합니다."라고 그는 덧붙인다. "이는 수십 년 변화의 첫걸음입니다."

LCC의 ACM 정의 핵심 요소는 다음과 같다:

• 긴 공정 체인을 단일 지점의 '박스 안 처리'로 축소
• 전역적 통합/중합을 국소적 소재 처리와 반복적 열처리로 대체
• 무금형 생산

"ACM은 이전의 긴 공정 체인을 어느 정도 단일 지점, 일종의 박스 안 제조로 집약합니다."라고 차렘바는 말한다. 따라서 마친스키는 "소재를 가공하고 박스 안에서 금형 없이 부품에 형상을 부여합니다."라고 덧붙인다. 둘 다 '박스'가 2020년 일렉트로임팩트(Electroimpact, 미국 워싱턴주 무킬테오)가 공개한 SCRAM 셀과 같은 매우 큰 ACM 셀일 수 있다고 동의한다. "ACM은 단일 박스 밖에서도 사용될 수 있습니다."라고 차렘바는 말한다. "예를 들어, 더 큰 AFP 부품에 국소 보강과 작은 형상을 추가하는 우리 연구처럼 말입니다."

그러나 베테만은 "자동화된 라인이나 셀에 전체 복합소재 공정 체인이 포함된 사례를 이제 보지만, 이것이 우리가 ACM으로 정의하는 것은 아닙니다."라고 지적한다. 반면 SCRAM 셀은 인시투 통합(ISC) 열가소성 AFP 헤드와 FFF(융합 필라멘트 제조, FDM의 또 다른 용어) 3D 프린팅 헤드를 결합하여 금형 없이 소재를 가공하고 형상을 부여할 수 있다. "우리에게 이 AFP 인시투 통합은 실제로 LCC에서 ACM의 시작이었습니다. 배치 또는 레이업을 수행하면서 경화/통합된 복합소재를 생성하기 때문입니다."라고 차렘바는 말한다.

이는 LCC의 ACM 정의에서 두 번째 핵심 포인트로 이어진다. "이전에는 항상 전역적 통합 단계가 있었고, 이상적으로는 오토클레이브, 오븐, 가열 금형 또는 프레스에서 성형되면서 부품 전체에 동일한 소재 처리와 이력이 적용되었습니다."라고 차렘바는 설명한다. "ACM에서는 부품을 구축하면서 이 열처리와 통합을 국소적으로 수행합니다."

베테만은 ISC가 자동화된 복합소재 제조에서 AM 세계로의 진입점을 제공했지만, "이 국소적 소재 처리는 반복적 열처리이기도 하여 소재와 가공에 실질적인 도전을 안겨줍니다. 처음에는 사출 성형 소재를 3D 프린팅용으로 단순히 적용했습니다. 하지만 FFF 프린팅에 최적화되지 않았음을 깨달았습니다. 그래서 기업들은 반복적인 수지 가열 및 냉각, 필요한 속도, 층간 접착, 휨 방지 등을 다루기 위해 자사 프린팅 시스템용 소재를 수정하기 시작했습니다. 후자가 바로 더 많은 기업이 연속 섬유를 포함하려는 이유이기도 합니다."

그러나 연속 섬유 통합도 문제를 야기합니다. "이것이 우리가 ACM에 주목한 이유 중 하나입니다."라고 차렘바는 말한다. "3D 프린팅 공정은 많은 것을 약속했지만, 구조용 또는 항공우주용 애플리케이션에서 기대하는 품질 유형을 제공하지 못했습니다. 연속 섬유를 사용한 첨단 복합소재와 AM 기술이 제공할 수 있는 것 사이에 격차가 있음을 확인했습니다. LCC는 이 두 세계를 결합하여 약속된 잠재력을 실현하고, 기술을 융합해 새로운 솔루션을 달성하고자 합니다."

 

두 세계의 융합

LCC는 아리스 복합소재(Arris Composites, 미국 캘리포니아주 버클리)가 개발한 적층 몰딩 공정과 9T 랩스(9T Labs, 스위스 취리히)가 개발한 3D 프린팅용 퓨전 본딩 셀 등 많은 새로운 솔루션을 확인했다. 둘 다 대량 생산 공정이다. "이 두 공정 모두 적층 공정 내에서 최종 부품 형상을 만들지는 않지만, 일종의 금형과 그 금형에서의 2단계 공정을 사용합니다."라고 마친스키는 말한다. "따라서 우리 ACM 정의에는 부합하지 않습니다. 그러나 둘 다 전통적인 복합소재 제조와 AM 기술을 결합한 흥미로운 솔루션을 제시합니다."

"9T 랩스는 확실히 3D 프린터를 사용합니다."라고 베테만은 지적한다. "하지만 프리폼을 만들어 이를 디지털화된 성형 공정으로 처리하여 이전에는 복합소재 기술을 적용할 수 없었던 시장을 공략하는 완전히 새로운 경량 열가소성 복합소재 부품을 만듭니다." 여기서는 사출 성형으로 충분한 성능을 낼 수 없는 부품에서 금속을 대체하려는 9T 랩스의 목표를 언급한다. "LCC에서도 사출 성형에 연속 섬유를 도입하는 방법을 연구했지만, 사출 공정에서 연속 섬유를 정밀하게 배치하기는 꽤 어렵습니다." 반면 9T 랩스 기술은 고성능 부품을 위한 구현이 쉬운 제조 방법을 제공하는 것으로 보인다.

아리스 복합소재는 다른 접근 방식을 취하지만, 10배 더 높은 부품 양산을 목표로 다소 유사한 목표를 달성한다. "우리는 연속 섬유 부품의 대량 생산을 가능하게 할 뿐만 아니라, 동적 부품 통합을 구현하는 다기능성을 추가합니다."라고 아리스 복합소재의 공동 창업자이자 CTO인 라일리 리스(Riley Reese)는 말한다. "예를 들어, 17개 부품 조립체를 단일 부품으로 전환하면서 강도를 높이고 전파 투과성 같은 특성을 추가했습니다. SMC(시트 몰딩 컴파운드) 같은 압축 성형과 비용 경쟁력이 있으면서 연속 섬유의 성능을 냅니다."

직접 ACM vs 간접 ACM

LCC의 ACM 정의로 돌아가면, 세 번째 핵심 요소는 금형 유무에 따른 제조 논쟁을 인정한다. "직접 방식은 최종 형상이 프린팅에서 나옵니다. 즉, 금형이 전혀 없습니다."라고 베테만은 말한다. "장점은 금형 제작에서 완전히 자유롭다는 것입니다. 금형이 있는 한 간접 공정이거나, AM 기술이 보조하는 기존 복합소재 제조로 봐야 합니다."

 

베테만은 이러한 하이브리드 접근이 통합과 금형 등 기존 복합소재 제조의 비용과 시간을 증가시키는 요인을 해결하는 데 도움이 된다고 지적한다. "2015년부터 2017년까지 싱가포르 기술디자인대학 디지털 제조 디자인 센터와 미크로샘(Mikrosam, 마케도니아 프리레프)에서 AFP 유형 공정으로 금형 없이 자유 공간에서 디지털 제조에 성공한 자동화 로봇 개발 사례를 보았습니다."라고 그는 설명한다. "이는 두 접근법 모두 금형 없이 자유 공간에서 디지털 제조에 성공했으므로 ACM을 향해 나아가고 있지만, 추가 개발이 여전히 필요합니다. 금형 필요성을 줄이는 것이 핵심입니다. 이는 복합소재 부품 제조와 제작 가능한 부품 유형 모두에 새로운 가능성을 열어주기 때문입니다." 예를 들어, 위상 최적화와 생성 설계 소프트웨어가 출력하는 매우 유기적인 하중 경로는 뼈와 나무 같은 생물학적 구조의 효율성을 추구하지만, 연속 섬유로는 제조가 매우 어렵습니다.

 

LCC의 미래 개발

"직접 부품 제조에서 여러분의 랜드스케이프에서 보는 것과 같은 현상을 목격합니다. 경계가 흐려지고 훨씬 더 하이브리드 제조 접근으로 이동하고 있습니다."라고 LCC 연구원 패트릭 콘술(Patrick Consul)은 말한다(3D 프린팅 CFRP 금형으로 RTM 플랩, 외골격 등 참조). 올해 초, 그의 팀은 소재 압출과 직접 에너지 증착(DED)을 레이저 기반 프로토타입 머신으로 결합하여 예비 통합된 라미네이트와 가열 챔버 없이 매우 큰 3D 프린팅을 하는 하이브리드 접근의 첫 시험을 완료했다. "우리는 또한 ACM을 밀링, AFP와 결합하는 작업을 하고 있는데, 모두 복잡한 툴패스에 의존하므로 정말 잘 맞습니다. 전환이 꽤 간단하고 추가 교육이 많이 필요하지 않습니다." 따라서 공정 체인이 단축, 디지털화, 단순화된다.

LCC는 RTM용으로 개발된 기술과 3D 프린팅을 결합하여 하이브리드 접근을 더욱 추진하고 있다. "결과는 플라이 경화와 유사하지만, 더 큰 부품을 만들 때 UV 경화 수지는 다소 비싸서 벗어나고 싶었습니다."라고 차렘바는 설명한다. "대신 RTM용으로 개발한 새로운 초음파 혼합 기술을 일반적인 압출기에 적용하고, 자동차 산업용으로 개발된 저렴한 속경화 에폭시와 결합합니다."

마친스키는 이 기술을 더 자세히 설명한다: "초음파 진동을 사용하여 프린팅 중 함침된 섬유를 증착하면서 에폭시 수지를 거의 순간적으로 혼합 및 경화합니다." 이는 브라운슈바이크 독일 DLR 복합구조 및 적응 시스템 연구소에서 사용하는 초음파와 어떻게 다른가(연속 섬유 3D 프린팅 소재 비용 절감 참조)? 마친스키는 "DLR은 열가소성 매트릭스가 퍼진 섬유에 침투하는 것을 개선하기 위해 초음파 진동을 사용하여 연속 섬유 강화 3D 프린터 필라멘트를 만들고, 이를 통상적인 소재 압출로 프린팅합니다. 우리는 연속 섬유 강화 열경화성 필라멘트 경화에 초음파를 사용합니다."라고 설명한다.

"아리스 복합소재, 9T 랩스, 우리 LCC 팀 같은 조직은 복합소재 세계와 AM 세계 양쪽 모두에 뿌리와 직원을 두고 있다는 점에서 흥미롭습니다."라고 베테만은 말한다. "이들이 함께 모여 자원 및 성장 한계, 기후 위기로 어려움을 겪을 잠재적 미래 경제에서 벗어나게 할 새로운 기술을 창조합니다. 이들은 필요한 솔루션으로 가는 길을 제시합니다."