연속 섬유 3D 프린팅에서 UV 경화 열경화성 수지의 상업적 잠재력 개척

CF3D 기술은 스냅 큐어링 열경화성 소재를 사용하여 높은 비용, 긴 리드 타임, 설계 제약을 줄인다. 사진 제공: 컨티뉴어스 컴포지츠(Continuous Composites)

2020년 9월, 연속 섬유 3D 프린팅 전문 기업 컨티뉴어스 컴포지츠(아이다호주 쾨르 달렌)와 특수 소재 기업 아케마(Arkema, 프랑스 콜롬브)의 사토머(Sartomer) 사업부가 전략적 파트너십을 발표했다. 컨티뉴어스 컴포지츠의 특허받은 연속 섬유 3D(CF3D) 프린팅 기술과 아케마의 광경화성 N3xtDimension 수지 솔루션을 결합하여, 다양한 애플리케이션과 산업의 요구에 맞는 첨단 소재 솔루션 라이브러리의 개발, 인증, 상용화를 목표로 한다.

광경화성 수지와 연속 섬유 3D 프린팅의 연결

이 공식 파트너십은 2015년 아케마 월드와이드의 3D 프린팅 수석 디렉터 수미트 자인(Dr. Sumeet Jain) 박사가 컨티뉴어스 컴포지츠를 인지하고 동사가 개발 중이던 프린팅 공정에서 기회를 본 것에서 시작되었다. 컨티뉴어스 컴포지츠의 CEO 타일러 알바라도(Tyler Alvarado)에 따르면, 파트너십은 자연스러웠다: "자인 박사는 광경화성 열경화성 수지를 발전시킬 기회를 보았고, 우리는 그가 우리가 사용하던 폴리머에 대한 수십 년의 경험을 가지고 있음을 알았다."

2019년까지 양사는 공동 개발 계약을 체결했고, 2020년 초 아케마가 컨티뉴어스 컴포지츠에 지분 투자를 했으며, 9월 전략적 파트너십이 발표되었다. "우리는 이 파트너십과 양팀이 달성한 결과에 매우 흥분하고 있다. 복합재 분야뿐만 아니라 광경화성 열경화성 수지 분야에서의 그들의 경험을 활용하여 1+1=3의 효과를 내고 있다"고 알바라도는 말했다.

CF3D 프린팅 시스템과 소재 요구 사항

오늘날 아케마의 첨단 소재 부문은 열경화성 및 열가소성 수지를 포함한 다양한 소재, 복합재 내 다양한 공정과 애플리케이션(3D 프린팅 및 전통적 제조 공정 포함)을 아우른다. 사토머 사업부는 다양한 시장을 위한 스페셜티 아크릴레이트와 메타크릴레이트에 중점을 두며, 수십 년간 코팅, 접착제, 3D 프린팅 필라멘트 형태의 UV 경화성 소재를 공급해 왔다고 사토머 글로벌 3D 프린팅 팀 R&D 디렉터 제프리 클랑(Jeffrey Klang)은 설명한다.

스냅 큐어 수지와 연속 섬유를 기반으로 하는 오토클레이브 외(OOA), 확장 가능한 3D 프린팅 기술인 CF3D 프린팅 시스템을 보완하기 위해(자세한 설명은 "연속 섬유로 3D 프린팅 복합재" 참조), 컨티뉴어스 컴포지츠는 항공우주부터 에너지, 방위까지 다양한 산업의 고객이 요구하는 높은 기계적 성능을 충족하는 수지 카탈로그가 필요했다. "우리의 비즈니스 모델은 기계, 해당 소프트웨어, 수지를 제공하여 고객이 특정 산업 애플리케이션에서 추구하는 구성품을 제조할 수 있게 하는 것"이라고 알바라도는 말한다.

유리 전이 온도(T_g)와 화재, 연기, 독성(FST) 같은 높은 기계적 특성에 대한 필요성으로 열경화성 수지에 초점을 맞추게 되었으나, 알바라도는 CF3D 기술이 열가소성 수지도 사용할 수 있다고 언급한다. "우리의 핵심 역량은 건식 연속 섬유를 가져와서 스냅 큐어링(이 경우 UV 경화성) 수지로 함침시키는 것이다. 우리는 이 스냅 큐어링 열경화성 접근법에 집중하고 있는데, 이는 복합 구조물이 자유 형태에서 바로 형상을 갖게 하여 연속 섬유의 이방성 특성을 활용하고, 매우 가볍고 매우 강한 복잡한 유기적 형상을 만들 수 있게 한다. 매우 높은 섬유 함량과 낮은 기공률의 고품질 복합 라미네이트를 생산할 수 있다."

아케마의 새로 출시된 '아케마 3D 프린팅 솔루션' 플랫폼의 일부인 사토머의 N3xtDimension 액체 수지는 탄소섬유, 유리섬유부터 다이나마(Dyneema), 아라미드에 이르는 구조용 섬유와 결합하여 이상적인 조합임이 입증되었으며, 양사는 이제 다양한 기계적 물성 요구 사항을 충족하는 UV 경화성 수지 라이브러리 개발에 협력하고 있다.

툴링 불필요, 빠른 프린트 속도, 비지지 출력 가능

수지의 기계적 특성 외에도, 최종 부품에 열 경화가 필요 없다는 점은 CF3D의 가장 혁신적인 두 가지 기능을 가능하게 한다: 빠른 프린트 속도와 비지지 상태에서의 오픈 에어 프린팅 능력. "일반적으로 복합재를 레이업할 때는 레이업을 지지할 툴링/몰드가 필요하다"며, "하지만 우리는 구조 필라멘트로 강화된 스냅 큐어링 열경화성 수지를 사용하기 때문에, 그 소재를 경화시켜 지지 소재 없이 형상을 취할 수 있게 한다"고 알바라도는 설명한다. 이는 몰드와 툴링 획득에 드는 비용과 리드 타임을 없애고, 툴링을 고려한 설계 제약을 제거한다. "이제 섬유를 여러 방향으로 조향할 수 있다... 비지지 프린팅 능력 덕분에 정말 독특한 오버행 형상으로 큰 간격을 넘을 수 있다."

또한 CF3D는 "매우 안정적인 기계이며 기존 열가소성 기계보다 훨씬 빠르게 프린트한다"고 알바라도는 말한다. 이러한 속도는 열경화성 수지 사용으로 라미네이트 내 온도 기울기 관리와 휨(warpage) 같은 문제 제거, UV 라이트 경화로 가열 공정에 제한되지 않음 덕분에 가능해진다.

프린트 속도에는 소재 경화와 프린트 정확도 두 가지 변수가 있다. "문제는 수지가 아니다; 그들은 제시간에 경화된다. 병목은 기계다"라고 그는 말하며, 로봇이 원래 반복적인 픽앤플레이스 운동을 위해 설계되었지 3D 프린팅에 필요한 정확도를 위해 설계된 것은 아니라고 지적한다. "우리 팀은 실제로 CNC 컨트롤러를 3D 프린팅 시스템의 기본 모션 플랫폼 제어로 자체 통합 개발하여, 정확하고 반복적으로 포인트를 이동할 수 있게 함으로써 현재 프린팅 속도를 획기적으로 높일 수 있었다." CNC 컨트롤러를 사용하여 향후 1년간 시스템 프린트 속도를 최대 3배 높일 계획이다.

도전 과제와 미래 전망

모든 혁신과 마찬가지로, 사토머의 UV 경화성 수지 기술을 더 높은 성능과 구조적 애플리케이션으로 이전하는 데도 도전 과제가 있었다고 사토머의 클랑은 말한다. 예를 들어, 내열성 향상이 주요 초점 분야였다. "우리는 230°C에 근접해 있다"며, "이는 매우 흥미로운 새로운 유형의 애플리케이션으로 진입하게 한다."

아케마의 자인 박사는 덧붙인다: "이 파트너십으로 우리는 바닥부터 시작하여 복합재 제조 방식을 바꾸고 있다. 이는 사소한 일이 아니다. 이미 4년간 함께 일해 왔고, 이제 막 시작했을 뿐이다."