연속 섬유 3D 프린팅 비용 절감: 혁신과 전략

DLR 복합구조 및 적응 시스템 연구소(독일 브라운슈바이크)는 경량 구조 분야 선도 연구 기관으로, 설계-인증, 디지털화 및 인더스트리 4.0, 재활용, 적층 복합구조 등 4대 전략 분야에서 신기술을 추구한다. CW는 올해 초 이 연구소의 임파워AX 이노베이션 랩(EmpowerAX Innovation Lab)을 보도했는데, 이는 적층 압출 기술의 산업 이전을 가속화, 강화, 확대하여 3D 프린팅 복합소재를 위한 것이다. 또한 적층 압출 시뮬레이션, 3D 프린팅 성능 향상을 위한 열가소성 개질, 연속 섬유 프린터 필라멘트 생산 등 다양한 R&D 프로젝트를 완료하고 있다.

이 마지막 프로젝트는 '엔들로스에페크트(ENDLOSEFFEKT, '끝없는 효과')'라는 제목으로, 무한 길이 섬유 강화 소재의 생산성, 품질, 비용을 개선하기 위해 설계되었다. "사전 함침된 연속 섬유 프린팅 필라멘트의 가용성이 제한적입니다."라고 DLR 복합구조 및 적응 시스템 연구소의 적층 제조 책임자 마익 티체(Maik Titze)는 설명한다. "이러한 제한된 가용성과 사용 가능한 소재의 다양성, 그리고 소재 가격이 적용 장벽이 됩니다. 우리는 표준 다진 섬유 충전 FDM(융합 증착 모델링) 필라멘트 생산에 사용되는 동일 장비로 연속 섬유 강화 필라멘트도 생산할 수 있는 함침 노즐을 설계하고자 했습니다. 이 장비는 3D 프린터 필라멘트 제조사를 위한 것으로, 연속 섬유 강화 소재를 이용한 3D 프린팅 비용을 낮추는 것이 목표입니다."

현재 대부분의 연속 섬유 강화 3D 프린터 필라멘트는 연속 섬유 프린팅 머신을 판매하는 같은 회사들이 만드는데, 각 소재가 특정 프린팅 시스템에 맞춰 개발 및 최적화된다. 이들 소재는 다소 고가인 경향이 있다.

"우리의 아이디어는 1K 탄소 섬유 토우부터 50K까지 모든 크기의 건식 섬유로 시작하여, 상품화된 열가소성 펠렛이나 과립에서 직접 용융 함침하여 압출하는 것입니다. 이는 매우 비용 효율적이기 때문입니다."라고 티체는 말한다. "폴리머 분말이나 포일을 생산할 필요도 없고, 값비싼 프레스나 수백 개의 롤러로 섬유 함침을 달성할 필요도 없습니다. 따라서 공정이 훨씬 더 접근하기 쉽고 저렴해집니다."

프레스, 벨트, 롤러 대신 DLR은 초음파를 사용하는 시스템을 고안했다. "19.5킬로헤르츠 소노트로드를 사용하여 섬유를 둘러싼 용융 열가소성 수지에 진동을 전달합니다."라고 티체는 설명한다. "이 매트릭스와 보강재를 에서 초당 19,500회 진동시켜 매우 우수한 함침을 달성합니다."

공정 경로는 섬유 퍼짐과 가열로 시작된다(Fig. 1). 이 보강재는 용융 폴리머가 주입되는 밀폐 챔버로 공급된다. 섬유가 이 챔버를 통과하면서 용융 수지가 섬유를 코팅한다. "섬유와 폴리머는 길이 80밀리미터의 매우 작고 콤팩트한 초음파 챔버로 진행됩니다."라고 티체는 말한다. "소노트로드에서 방출된 진동이 섬유 강화 폴리머 필라멘트에 전달되고, 원하는 형상의 노즐로 배출됩니다. 예를 들어 노즐은 원형이나 평평할 수 있습니다."

Fig. 2의 현미경 사진은 50% 섬유 부피 분율에서 12K 탄소 섬유가 폴리락트산(PLA), 폴리아미드(PA), 폴리에테르이미드(PEI)로 함침된 모습을 보여준다. 섬유 부피는 다이 노즐 설계를 통해 30-50%로 조절 가능하며, 최대 60%도 가능할 것으로 본다고 티체는 말한다. "공정에 대한 추가 작업이 필요하지만, 초당 5밀리미터 라인 속도로 양호한 초기 결과를 보이며 작동함을 입증했습니다." 그는 이것이 느리고 경제적이지 않음을 인정하지만, 2021년 6월 테스트 예정이던 새로운 장비 설계로 이미 분당 3미터 달성을 목표로 한다고 덧붙인다.

"일반적으로 속도는 분당 10미터에 가깝습니다."라고 티체는 말한다. "하지만 이 기술은 새로운 소재 조합의 유연한 생산도 의도하므로, 약간 낮은 속도가 소량 생산을 경제적으로 만들 수 있습니다."

DLR이 개발한 공정은 특정 소재에 국한되지 않으며, 어떤 섬유나 폴리머도 사용할 수 있다고 티체는 말한다. "공정이 계속 하이브리드화되고 새로운 소재가 필요해지는 상황에서 이는 중요합니다. 3D 프린팅용 소재가 더 경쟁력 있게 되어야 연속 섬유 3D 프린팅의 미래가 밝습니다. 열가소성 펠렛이나 과립을 사용하면 비용을 크게 낮출 수 있고, 장비 설치 공간이 작아 소기업도 구현할 수 있습니다."

DLR 복합구조 및 적응 시스템 연구소는 2019년 10월 이 프로젝트를 시작하여 2022년 1월 완료할 예정이다. "우리의 목표는 기술을 더욱 소형화하여 프린트 헤드에 통합하는 것입니다."라고 티체는 말한다. "따라서 프린팅과 인라인으로 직접 함침이 이루어집니다. 두 접근법 모두 산업계에 이전될 것입니다." 그는 정부 비영리 기관인 DLR이 무엇도 '판매'하지 않으며 따라서 독점권도 없다고 설명한다. "우리의 목표는 프린트 헤드 공급업체를 참여시켜 소재 가격을 전반적으로 낮추고 연속 섬유 적층 제조의 산업 적용을 확대하는 것입니다."