RTM 플랩·외골격 등 활용하는 첨단 3D 프린팅 CFRP 몰드 기술

탄소복합재 연구소(Lehrstuhl für Carbon Composites, LCC)는 2009년 뮌헨 공과대학(TUM, 독일 뮌헨) 기계공학과에 SGL 카본(독일 비스바덴)의 지원으로 설립되었습니다. 임무는 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP) 소재, 공정, 응용 분야의 R&D를 수행하는 것으로, 시뮬레이션과 테스트 프로젝트도 포함합니다. 독일 대학 시스템에서 '연구소(Chair)'는 교수와 그의 팀으로 구성된 최소 단위입니다. LCC 팀은 클라우스 드렉슬러(Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler) 교수가 이끌며 현재 30명의 풀타임 연구원이 근무합니다. SGL 지원이 2016년 종료되었음에도 LCC는 복합재 R&D 분야의 리더십을 유지해 왔으며, 다기능 동체 데몬스트레이터(MFFD) 하반부 몰드 제작(아래 사이드바 참조)을 비롯해 이제 3D 프린팅/적층 제조 분야로도 확장했습니다.

이 이야기는 CEAD(네덜란드 델프트)가 LCC가 로봇 암을 이용한 압출 기반 AM 플렉스봇 시스템을 구매했다고 알려오면서 시작되었습니다. 이후 LCC 연구원 파트리크 콘술(Patrick Consul)과의 인터뷰에서 COMBO3D, EMOTION 등 다수의 프로젝트가 드러났습니다. COMBO3D는 클린 스카이 2(Clean Sky 2) 사업의 일환으로 열가소성 복합재 RTM 몰드를 3D 프린팅하여 열경화성 복합재 항공기 플랩을 생산하는 것이고, EMOTION은 클린 스카이 2의 열가소성 복합재 다기능 동체 데몬스트레이터(MFFD) 하반부 성형 툴과 동일한 동체를 직접 인시츄 통합(오토클레이브 외) 방식으로 생산할 수 있는 2차 부분 툴을 시연하는 것입니다. TUM이 이 단계에 도달한 과정과 향후 방향에 대한 논의가 매우 흥미로웠습니다.

MFFD 하반부 몰드

내 2020년 2월 블로그 "다기능 동체 데몬스트레이터용 LM PAEK 용접 검증" 참조. 이 사이드바는 GKN 포커(네덜란드 후그베엔)의 MFFD 프로그램 매니저 바스 벨드만(Bas Veldman)의 2020년 2월 논문 "다기능 동체 데몬스트레이터 개발"에서 발췌했습니다.

MFFD 하반부 쉘은 용접된 스트링거, 클립, 프레임으로 보강된 열가소성 스킨으로 구성됩니다. 시연할 제조 공정은 세 가지 핵심 단계로 이루어집니다:

1. 데몬스트레이터의 대형 스킨용 프리프레그 테이프를 NLR의 기존 레이저 AFP 머신으로 평평한 경사 테이블에 적층합니다.
2. 적층물을 로봇이 흡착 컵으로 여성 통합 몰드로 이송해 가열 없이 드레이핑합니다.
3. 진공 백킹 후 오토클레이브에서 스킨을 통합합니다.

여성 통합 몰드를 사용하면 남성 툴보다 훨씬 단순한(평평한) 표면을 가지면서 스킨 외표면 품질의 공력적 제약을 직접 제어할 수 있습니다.

MFFD 프로젝트는 대형 다기능 동체 데몬스트레이터와 병행하여 오토클레이브 외 공정도 조사할 것을 요구합니다. 특히 인시츄 열가소성 복합재 제조 방식에서 적층 중 통합이 이루어지도록 하여 오토클레이브 단계를 완전히 제거하고 제조를 단일 단계 공정으로 축소하는 방안을 고려합니다.

열가소성 동체용 향상된 몰드(EMOTION, https://cordis.europa.eu/project/id/864474)는 MFFD 하부 쉘 툴링 제작을 위한 클린 스카이 2 프로젝트입니다. "단순해 보이지만 실제로는 상당히 도전적입니다. 400°C까지 가열해야 하기 때문입니다. 이는 인바36(Invar36)이 유의미한 CTE(열팽창 계수)를 보이지 않는 온도 범위를 훨씬 초과합니다."라고 TU 뮌헨의 프로젝트 코디네이터 파트리크 콘술은 말합니다. 인바는 고온 경화 사이클 동안 낮은 팽창률로 인해 복합재 성형 툴에 흔히 사용됩니다. 그러나 인바의 CTE는 온도에 따라 증가합니다. "도전 과제는 8m x 4m 몰드와 동체 스킨의 가열 및 냉각 중 열팽창을 제어하는 것입니다."라고 콘술은 지적합니다.

적층 제조 기술의 발전

"LCC 내에서 8~9명이 적층 제조 연구를 하고 있습니다."라고 콘술은 말합니다. 그는 2012년 AFPT(독일 도르트)로부터 레이저 보조 열가소성 복합재 테이프 배치 머신 구매로 이 작업의 역사를 시작합니다. 이후 코리올리스 컴포지츠(프랑스 케벤)의 머신을 추가해 열경화성 프리프레그의 자동 섬유 배치(AFP)를 가능하게 했습니다. 첫 필라멘트 기반 데스크톱 프린터는 2017년에 구입했습니다. "저도 2017년에 합류해 새로운 응용 분야와 연구 프로젝트 개발을 지원했습니다. 예를 들어 클린 스카이 2에 제안서 작성 등입니다." 그는 클린 스카이 2 프로젝트가 공개된 제안 요청(CFP)에 대한 제안서 제출을 통해 주제 관리자에게 수여된다고 설명합니다. LCC는 CFP08 COMBO3D 프로젝트와 CFP09 EMOTION 프로젝트에서 성공했습니다. 둘 다 아래에서 논의합니다.

"지속적인 섬유 보강 3D 프린팅을 연구하는 다른 프로젝트도 있습니다."라고 콘술은 말합니다. "이미 통합된 CFRP 부품 위에 프린팅하거나 프린팅된 층 간 층간 전단 강도(ILSS)를 높이기 위해 레이저 통합 프린트 헤드로 복합재 기판을 예열하는 프로젝트도 있습니다. 또 다른 프로젝트는 소량의 특수 복합재 부품이 필요한 툴링 응용 분야를 탐구합니다."

"이 프로젝트들은 적층 제조 부품의 프린팅 중 및 프린팅 후 거동을 예측하기 위해 수치 시뮬레이션으로 지속적으로 지원됩니다."라고 그는 계속합니다. "LCC는 임페리얼 칼리지 런던과의 프로젝트에도 참여해 3D 프린팅 CFRP로 외골격을 제조하는 것을 목표로 합니다. 또 다른 프로젝트는 3D 프린팅 부품의 강성, 강도, 에너지 흡수 측면에서 특성을 최적화하기 위해 격자 구조를 연구합니다."

프린터의 진화

"아피움(Apium, 독일 칼스루에)의 FDM(용융 적층 모델링) 기반 심플 3D 프린터로 고강성이 필요한 특수 테스트 지그를 프린팅하며 시작했습니다." 콘술은 설명합니다. "프린터는 3m x 1m 크기에 높은 소재 출력으로 프린팅 시간을 단축했습니다. 연속 섬유는 사용할 수 없지만 PEEK, PEKK, 다진 탄소섬유 강화 PEEK 프린팅에 잘 설계되었습니다. 히팅 베드뿐만 아니라 프린트 헤드 주변에도 히팅 플레이트가 있어 프린팅물 내 온도 분포를 균일하게 만들어 열응력을 줄이고 결정화를 보장합니다."

"마크포지드(Markforged, 미국 매사추세츠주 케임브리지) 프린터도 잠시 사용했고, 이후 아니소프린트(Anisoprint, 룩셈부르크 에슈쉬르알제트)를 도입했습니다."라고 콘술은 말합니다. 마크포지드 프린터는 연속 섬유 FDM을 가능하게 했지만, LCC 팀은 유지하지 않기로 했습니다. "시스템이 너무 폐쇄적이었습니다." 콘술은 설명합니다. "마크포지드의 슬라이서 소프트웨어는 연구용으로 쓰기엔 너무 제한적이었습니다. 연속 섬유 소재 한 층을 프린팅한 다음 단섬유 강화 열가소성 필라멘트 층을 위에 올리는 것만 가능했습니다. 코드를 생성하는 슬라이서가 우리로부터 G코드를 받아들이지 않았습니다. 따라서 연속 섬유를 각 층에 넣는 등 원하는 방식으로 프린팅하도록 기계에 지시할 방법이 없었습니다."

이에 대해 마크포지드 측은 자사 시스템이 연구용이 아니라 부품 제작을 위해 단순하고 견고하게 설계되었으며, 규칙 기반 파이버 패싱을 활용하고 슬라이서 구성에 드는 노력과 시간을 최소화했다고 설명합니다. 이거(Eiger) 소프트웨어로 사용자가 개별 레이어를 구성할 수 있으며, 마크포지드는 피드백을 환영하고 고객 경험 개선을 최우선으로 한다고 밝혔습니다.

"아니소프린트는 완전히 개방된 G코드 슬라이서를 제공해 공정에 더 많이 접근할 수 있게 해주었습니다."라고 콘술은 말합니다. "2D 레이어뿐만 아니라 평면 밖 3D 곡선으로도 연속 탄소섬유 프린팅이 가능합니다. 작은 쿠카 로봇용 아니소프린트 프린트 헤드를 보유해 1m x 1m 부품을 생산할 수 있는데, 이는 대부분의 데스크톱보다 크지만 로봇 시스템으로는 작은 편입니다."

아니소프린트의 듀얼 매트릭스 열경화성-열가소성(TS-TP) 소재는 어떨까요? 내 2019년 아니소프린트 블로그 "… 연속 섬유 보강재를 열경화성 폴리머로 먼저 함침시킨 다음 프린팅 중 녹은 열가소성 필라멘트에 압출한다"에서 설명한 바 있습니다. 콘술은 TS 필라멘트와 TP 간의 접착력이 꽤 좋다고 답했습니다. "초기 시험에서 마크포지드 프린터보다 높은 섬유 체적 함량을 달성할 수 있었는데, 이는 G코드를 수정할 수 있었기 때문입니다. 아니소프린트 프린트 헤드는 TS 필라멘트를 TP 속으로 밀어 넣은 다음 적층합니다. 이 프린터를 외골격 부품에 사용할 계획입니다. 고강도 섬유를 통합하는 쉬운 방법입니다."

펠렛 압출 프린터

다음 단계는 대형 프린터로, 먼저 단섬유 강화 TP, 이후 연속 섬유 TP로 넘어갔습니다. "로봇에 장착된 압출기를 먼저 개발했고, 곧 CEAD 머신에 관심을 갖게 되었습니다. 내년에 이 두 시스템 모두에 연속 섬유를 통합하길 희망합니다."

이미 로봇 암에 압출기가 있는데 왜 CEAD 머신이 필요했을까요? "초기 압출기는 다이즈 펄사(Dyze Pulsar) 펠렛 압출기 베타 버전으로, 최대 약 2kg/hr 출력, PAEK로는 약 1kg/hr 출력이 가능하지만 20% 이상 탄소섬유 충전에서는 어려움을 겪습니다."라고 콘술은 말합니다. "로봇이 프린팅 중 자주 가감속하기 때문에 평균 출력은 더 낮습니다. COMBO3D 초기 소형 몰드 절반만 해도 최소 36kg이 필요해 단일 절반을 프린팅하는 데 약 48시간이 걸렸습니다. 소재 공급 라인 막힘이나 부품 휨 같은 오류가 언제든 발생할 수 있어 항상 누군가가 지켜봐야 했습니다."

COMBO3D 최종 데몬스트레이터는 초기 소형 부품보다 약 10배 크기여서 이 첫 압출 시스템으로는 프린팅이 불가능했다고 콘술은 말합니다. "또한 빅트렉스(Victrex)가 공급한 일부 소재는 점도가 더 높아 첫 압출기로는 해당 폴리머를 압출할 토크가 부족했습니다. CEAD 프린터로는 최대 약 12.5kg/hr 출력이 가능하며, 몇 시간 시험 후 안정적인 평균 출력이 약 5~6kg/hr에 달했습니다. 이로써 소형 몰드 절반을 8시간 이내에 프린팅할 수 있고, 더 높은 섬유 함량을 사용해 휨을 줄여 공정 전체를 더 쉽게 제어할 수 있게 되었습니다."

"펄사 시스템이 이미 펠렛 사용, 높은 소재 출력, 로봇의 자유도 활용을 가능하게 했다면," 그는 계속합니다. "CEAD 프린터는 더 큰 부품, 더 높은 섬유 함량, 더 넓은 범위의 폴리머로 역량을 확장합니다. 펄사는 필라멘트 기반 프린터와 CEAD 사이의 간극을 메워주며, 출력뿐만 아니라 노즐 크기와 그에 따른 프린팅 디테일 측면에서도 다리를 놓아줍니다."

CEAD AM 플렉스봇 기술 데이터:

• 펠렛 기반 압출 프린팅: 최대 12.5kg/hr (무보강 및 단섬유 강화)
• 최대 450°C 소재 가공
• 빌드 볼륨: 3000 x 1200 x 1700mm
• 로터리 테이블 또는 평판 빌드 플레이트 (가열 가능)
• 밀링 헤드로 후가공 가능

COMBO3D

이 클린 스카이 2 프로젝트의 목적은 대형 여객기용 데몬스트레이터 복합재 플랩(1.5m x 3m) 생산용 몰드를 3D 프린팅하는 것입니다. 워크 패키지 A-3.1: 고속 및 저속을 위한 다학제적 날개. 적층 제조 활용 목표는 툴 제작 리드타임 단축입니다. 프로젝트는 2019년 1월 시작해 2021년 3월 종료 예정입니다. 파트너로는 알펙스 테크놀로지스(Alpex Technologies, 오스트리아 밀스 베이 할), 경금속 역량 센터 란쇼펜(Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen, 오스트리아 란쇼펜), 고성능 열가소성 폴리아릴에테르케톤(PAEK) 공급사 빅트렉스(Victrex, 영국 손턴 클리빌리스)가 있습니다.

이 프로젝트의 또 다른 핵심은 이 탄소섬유/에폭시 플랩을 오토클레이브 경화 프리프레그 대신 레진 트랜스퍼 몰딩(RTM)으로 제작할 수 있음을 입증하는 것입니다. RTM 부품은 오토클레이브 부품과 같은 180°C에서 경화됩니다. 열적 안정성을 위해 툴은 용융 온도 305°C인 단섬유 탄소섬유 강화 PAEK로 프린팅됩니다.

경화 사이클을 단축하기 위해 3D 프린팅 몰드에 능동 온도 제어를 통합합니다. "오토클레이브보다 몰드를 더 빨리 가열하고 냉각할 수 있어야 합니다." 콘술은 말합니다. "몰드 표면 아래 3mm에 전기 히터 메쉬를, 6mm 아래에는 가열 오일 또는 공기용 프린팅 채널을 통합합니다. 이렇게 하면 몰드 표면을 매우 빠르게 가열할 수 있고 채널을 이용해 툴 전체 부피를 가열할 수 있습니다. 오토클레이브보다 50% 빠른 가열 및 냉각 속도를 목표로 하며, 최소 30% 이상 빠르게 달성할 수 있을 것으로 확신합니다."

3D 프린팅에 통합될 히터 요소는 무엇일까요? "탄소 로빙을 유리섬유 직물에 맞춤형 섬유 배치(TFP)하여 히터 요소로 구현함으로써 CFRP 헬리콥터 로터 블레이드 몰드에서 다양한 히터 존을 실현한 적이 있습니다." 콘술은 설명합니다. "이는 Q포인트 컴포지트(QPoint Composite, 독일 드레스덴)와 함께 완료한 클린 스카이 1 프로젝트였습니다. COMBO3D 몰드에서도 유사한 개념으로 작업할 예정입니다."

프린팅 툴 전체 개발은 시뮬레이션으로 지원됩니다. 툴 설계는 열 시뮬레이션에 가열 및 냉각 시스템을 구현해 최적화됩니다. 제조 공정도 시뮬레이션하여 프린팅 중 온도 분포에 대한 지식을 생성하고 경로 계획과 연계해 프린팅 공정을 지원합니다.

CEAD 머신 설치 및 프로젝트 진행 상황

"CEAD 시스템이 매우 빠르게 납품되었습니다. 주문부터 설치까지 6개월밖에 걸리지 않았습니다."라고 콘술은 말합니다. "이때 이미 소재 테스트를 완료하고 플레이트 툴링을 설계했으며 소형 부품 프린팅을 시작했습니다. CEAD AM 플렉스봇으로 공정을 안정화하는 데 오랜 시간이 걸릴까 걱정했지만, 첫 시험부터 잘 작동했습니다."

플레이트 툴링이요? "쿨링 채널과 히터 요소를 이미 통합한 소형 몰드로, CFRP 플레이트를 제작해 쿠폰 테스트용으로 씁니다."라고 그는 설명합니다. "이 테스트는 우리 3D 프린팅 CFRP RTM 몰드의 품질이 사브(Saab)가 오토클레이브 공정으로 생산하는 현재 CFRP와 비교 가능함을 보장하기 위함이었습니다."

불행히도 프로젝트는 코로나19로 중단되었으나, "이제 모두 순조롭게 진행 중이며 따라잡고 있습니다."라고 콘술은 말합니다. PAEK를 3D 프린팅 몰드에 사용하는 건 어떨까요? "현재 유일한 문제는 PAEK의 Tg(유리 전이 온도)가 130~140°C로, 데몬스트레이터 부품의 180°C 경화 온도보다 낮다는 점입니다." 콘술은 지적합니다. "따라서 경화 온도에서 크립이 발생하거나 표면이 손상되기 전에 몇 사이클을 완료할 수 있는지 아직 봐야 합니다."

다른 프로젝트에서의 CEAD 머신 활용?

"내년 시작하는 GKN 에어로스페이스 도이칠란트(뮌헨)와의 항공우주 툴링 프로젝트에 CEAD 머신과 폴리에테르설폰(PESU)을 사용해 지원 신청 중입니다."라고 콘술은 말합니다. [주: 독일 GKN은 A330, A350용 복합재 날개 플랩과 봄바디어 글로벌 계열 비즈니스 제트용 에일러론을 생산합니다.] "CEAD는 연속 탄소섬유용 머신 개발을 담당할 예정입니다. 내부적으로도 CEAD 머신을 사용해 RTM용 시제품 몰드를 제작할 계획인데, 그렇지 않으면 외주로 맡겨야 합니다. 작업 가속화에 이점이 있습니다."

콘술은 PESU가 PAEK보다 더 높은 Tg를 가진다고 말합니다. "비정질이라 반결정질이 아니므로 프린팅이 더 쉬울 수 있지만, 크립 저항성은 이슈가 될 수 있습니다. 우리는 폴리에테르이미드(PEI) 사용을 피하려 합니다. 과거 PEI가 에폭시 레진과 결합하는 이슈를 살펴본 적이 있습니다. RTM6[RTM용 에폭시]가 PEI를 용해시켜 둘 사이의 접착력을 높이는데, 이는 3D 프린팅 몰드에서 부품이 달라붙지 않고 이탈해야 하는 것과 정반대입니다."

미래의 산업용(그리고 비행용) 3D 프린팅 복합재

LCC가 추구하는 적층 제조 분야의 다른 프로젝트들에 대해 논의하며, 콘술에게 외골격에 CFRP 적용을 가로막아온 것이 무엇인지 물었습니다. "외골격은 착용자마다 맞춤 제작해야 하므로 부품이 특수하고 물량이 크지 않습니다." 그가 답합니다. "우리 프로젝트는 환자 맞춤형 하지 외골격 부품 생산을 가능하게 해, 환자의 생물물리적 프로필과 고유한 재활 니즈에 기반한 뇌졸중 환자 재활 지원용 환자 맞춤형 외골격을 24시간 이내에 제작하는 것을 목표로 합니다." (CW 기사 "C-FREX 외골격, CFRP에 의존…" 참조)

"3D 프린팅이면 어떤 부품이든 프린팅할 수 있다는 개념이 있지만, 먼저 3D 프린팅과 복합재에 대한 경험이 있어야 합니다. 예를 들어 층간 접착과 이방성 문제가 흔히 발생하며 이를 이해해야 합니다. 3D 프린팅 복합재 부품은 현재 플라스틱과 금속으로 만드는 것과 같은 설계가 아닙니다."

그는 고성능 항공기 부품 생산에 3D 프린팅 복합재를 사용하기 위해 여전히 극복해야 할 과제가 있다고 지적합니다: 이 부품들을 적층 제조를 위해 어떻게 설계할 것인가? 적층 제조가 가치를 더하는 부품을 어떻게 식별할 것인가? "항공우주 툴링이 우리 팀이 현재 주목하는 주요 응용 분야입니다."라고 콘술은 말합니다. "몰드를 3D 프린팅하는 것은 잘 맞습니다. 이 몰드들은 부품과 동일한 경화 조건을 견뎌야 하지만, 비행 부품보다 위험이 적습니다. 좋은 예는 날개 리브 보강재로, 다양한 부품이 많지만 부품당 사이클 수는 적습니다. 이는 기술 경험을 쌓고 고성능 특성을 갖춘 안정적인 3D 프린팅 공정을 개발하며, 이러한 부품과 공정을 시뮬레이션으로 정확하게 예측하는 능력을 기르는 좋은 방법입니다. 구조 비행 부품을 시도하기엔 아직 이릅니다. 장기적으로는 이를 목표로 하겠지만, 툴 프린팅을 통해 3D 프린팅 공정을 충분히 안정화하고 고성능 특성을 확보하며 시뮬레이션 예측 능력도 개발할 것입니다."