사빅(SABIC) & 로컬 모터스(Local Motors), 3D 프린팅 열가소성 스크랩 재활용으로 지속 가능한 제조 실현 가능성 연구

대형 포맷 적층 제조(LFAM)의 순환성 개선을 위해, 다국적 화학 제조 기업 사빅(SABIC, 사우디아라비아 리야드)과 차세대 차량 제조사 로컬 모터스(Local Motors, 미국 애리조나주 피닉스)가 3D 프린팅 공정에서 발생하는 스크랩 열가소성 부품과 칩 재활용 실현 가능성에 대한 공동 연구를 완료했다. 이 연구는 LFAM 광범위한 채택을 예상하여 대형 프린팅 부품을 매립하는 대신 더 지속 가능한 대안을 모색했다. 로컬 모터스가 사용하는 사빅의 LNP 서모컴(THERMOCOMP) AM 강화 컴파운드가 프린팅, 회수, 분쇄, 펠렛 형태로 재처리된 후 프린팅 가능성과 기계적 특성을 분석했다.

연구 결과, 후공정 부품과 스크랩 소재가 LFAM이나 사출 성형, 압출 같은 다른 공정에서 최대 100%까지 잠재적으로 재사용 가능함이 밝혀졌다. 사빅과 로컬 모터스에 따르면, 이러한 통찰은 LFAM 산업에서 사용되는 소재의 순환성과 수명 연장을 위한 실현 가능한 경로 식별에 도움이 될 수 있다.

"LFAM 채택이 가속화됨에 따라 대형 프린팅 부품 매립 대체 지속 가능한 대안 찾기가 필수적입니다."라고 사빅 선임 응용 개발 엔지니어 월터 톰슨(Walter Thompson)은 말한다. "사빅과 로컬 모터스는 LFAM에서 발생하는 기계적 분쇄 스크랩 소재와 수명 종료(EOL) 부품 활용 실용성을 조사했습니다. 우리 연구는 이러한 소재 재사용의 큰 잠재력을 보여주며 가치 사슬 내 재사용 지원을 위한 첫걸음이 됩니다."

"차세대 차량 제작은 차세대 제조 공정 수용을 의미합니다."라고 로컬 모터스 기술 제품 디렉터 조니 스코텔로(Johnny Scotello)는 덧붙인다. "사빅과 함께 LFAM을 더 지속 가능하게 만드는 일에 자부심을 느낍니다. 스크랩이나 EOL 부품에 가치를 부여하는 것은 어려운 과제지만, 이 연구 결과는 지속 가능하고 순환적인 제품의 밝은 미래를 가리킵니다."

대형 프린팅 부품 재사용의 과제

현재 후공정 LFAM 부품과 스크랩 회수를 위한 확립된 가치 사슬은 없다고 사빅과 로컬 모터스는 말한다. 이 복잡한 단계에는 대형 부품을 위치 파악, 수집, 운반하여 세척, 절단, 재분쇄, 재활용 가능한 시설로 이동시키는 물류 관리가 포함된다.

LFAM 소재 재사용의 또 다른 과제는 다중 열 사이클(분쇄, 재펠렛화, 재컴파운딩 등)로 인한 잠재적 열화다. 각 단계가 누적 열 이력을 더해 폴리머 사슬을 분해하고 섬유 길이를 줄여 성능에 영향을 줄 수 있다. 소재 재사용 기회 식별 시 이러한 요소를 고려해야 한다.

연구 방법과 결과

사빅-로컬 모터스 연구에는 프린팅 가능성, 처리량, 기계적 특성 평가가 포함되었다. 프린팅 가능성 평가를 위해 LNP 서모컴 AM 컴파운드 6개 시료를 준비하여 각각 0, 15, 25, 50, 75, 100% 재처리 함량을 포함시켰다. 이 시료들은 사빅의 신시내티(Cincinnati Inc., CI, 미국 오하이오주 해리슨) BAAM(Big Area Additive Manufacturing) 머신에서 처리량과 용융 흐름 속도 변화를 모니터링했는데, 이는 매사추세츠주 피츠필드 소재 사빅 폴리머 가공 개발 센터에 있다. 각 시료로 단일 벽 육각형을 프린팅했는데, 이는 사빅의 가공 및 소재 특성화를 위한 전형적인 테스트 부품 형상이다. 모든 시료가 매끄럽고 광택 있는 표면과 곧고 균일한 레이어로 문제없이 잘 프린팅되었다고 보고되었다.

기계적 특성 평가를 위해 각 육각형 프린팅 부품에서 시편을 절취했다. 이들은 인장 특성 테스트에 테스트 방법 D638 가이드라인을, 굴곡 탄성율은 수정된 ASTM D-790 테스트 방법을 따른 3점 굽힘 테스트로 테스트했다. 결과는 재생 함량 비율이 낮은 부품 시편에서 우수한 인장 특성을 보였고, 더 높은 재생 함량 시편에서는 점진적 감소만 나타났다. 100% 재생 시편은 X-방향 인장 특성 20% 감소, Z-방향 15% 감소를 경험했다. 굴곡 특성도 같은 점진적 추세로, 100% 재생 함량 시편에서 X-방향 14%, Z-방향 12% 굴곡 탄성율 감소에 그쳤다.

예상대로 인장 및 굴곡 테스트에서 재생 함량 비율 증가에 따라 기계적 강도 감소가 나타났다. 이 발견은 사출 성형과 압출 같은 다른 공정에서 재생 소재 사용 시 전형적이다.

앞으로의 전망

이 연구는 후공정 LFAM 칩과 부품의 재사용 가능성을 강조한다. 사빅과 로컬 모터스는 후공정과 후소비 스크랩 소재 모두 재사용 잠재력이 있다고 말하지만, 이 공정이 실현 가능해지기 전에 재활용 가치 사슬의 기존 격차를 메워야 한다. LFAM 커뮤니티의 대규모 집단 노력(수지 제조사, 변환업체, 3D 프린터, 재활용업체 포함)이 필요하여 스크랩을 경제적으로 수집하고 재사용 가능한 형태로 전환하는 방법을 고안해야 한다.

로컬 모터스와 이 연구를 수행하고 결과를 발표하는 것은 사빅이 LFAM 산업을 위한 순환 솔루션을 찾는 첫걸음이다. 회사는 곧 연구의 상세 데이터가 담긴 보고서를 완료할 예정이다. 사빅은 '중요한 화학(Chemistry That Matters)'을 활용하여 전체 LFAM 가치 사슬 전반의 협력을 지원하여 사회적 책임, 탄소 발자국 저감, 순환성 발전에 기여할 것을 약속한다.