섬유가 60%, 공극이 1% 미만인 3D 인쇄 복합재

9T Labs(스위스 취리히)의 공동 설립자인 Giovanni Cavolina는 “우리의 주요 목표는 산업용 구조 연속 섬유 복합 재료를 생산하는 것입니다. "CFRP(탄소 섬유 강화 폴리머) 부품을 제조하는 사람들과 이야기하면 대부분의 사람들은 연속 섬유 3D 프린팅으로 레이어 간에 매우 낮은 공극 함량이나 우수한 층간 전단 강도(ILSS)를 달성하는 것이 가능하다고 믿지 않습니다." 그러나 9T Labs는 공극을 제거하는 특허 받은 후공정을 개발했습니다. "이제 층 간 접착력이 우수하고 공극 함량이 1% 미만인 연속 섬유 복합 재료를 3D 프린팅할 수 있으며 이는 기존 방식으로 제조된 복합 재료와 경쟁합니다."

ETH 취리히에서 시작

9T Labs는 취리히 스위스 연방 공과 대학(ETH Zurich)의 복합 재료 및 적응 구조 연구소(CMAS)에서 연구 프로젝트를 시작했습니다. Cavolina 및 9T Labs 공동 설립자 Martin Eichenhofer 및 Chester Houwink는 "로봇 팔에 장착하고 항공 우주 응용 분야를 대상으로 하는 초경량 샌드위치 구조용 격자 코어를 만든" 복합 재료 프린트 헤드를 개발했다고 Cavolina가 설명합니다.

CarbonKit은 기성품 FDM 프린터가 연속 탄소 섬유를 사용할 수 있도록 하는 제한된 릴리스 제품이지만 아직 비용 경쟁력이 있는 산업 CFRP 구조 부품을 생산하는 데 적합한 솔루션은 아닙니다. 출처 | 9T 연구소.

카본킷

따라서 2018년 초에 9T Labs가 설립되어 잠재적인 고객 요구 사항을 충족할 수 있는 3D 프린팅 모놀리식 CFRP 라미네이트의 개념을 입증했습니다. "우리의 다음 단계는 CarbonKit이었습니다."라고 Cavolina는 말합니다. CW에 소개된 제품입니다. 의 2019년 3월 기사 "연속 섬유 3D 프린팅을 생산으로 옮기기". CarbonKit은 Ultimaker 또는 Prusa 3D 프린터를 연속 탄소 섬유로 인쇄할 수 있는 시스템으로 변환합니다. "이를 통해 기존 프린터를 프린트 헤드, 필라멘트 및 소프트웨어와 함께 사용하여 로드 케이스에 따라 CFRP 3d 인쇄의 표준이었던 30%가 아닌 50%의 탄소 섬유 부피 함량으로 연속 섬유를 배치할 수 있습니다. "라고 덧붙입니다.

Cavolina는 이 제품에 대한 관심이 상당히 높았음에도 불구하고 “25명의 고객에게만 공급했습니다. 단 한 단계의 FDM[융합 증착 모델링] 프로세스만으로는 현재 기술과 비용 경쟁력이 있는 산업 항공 우주 애플리케이션을 위한 구조적 최종 사용 부품을 달성하는 것이 불가능하다는 것을 깨달았기 때문에 이 제품을 제한적으로 유지했습니다.”

그러나 CarbonKit을 통해 9T Labs는 귀중한 고객 관계를 구축했습니다. “CarbonKit으로 이러한 부품을 생산할 수 없었음에도 불구하고 우리는 기업이 무엇을 기대하고 필요로 하는지 알 수 있었습니다.”라고 그는 설명합니다. “FDM을 사용하면 현장 통합이 실제로 가능하지만 비용이 많이 드는 훨씬 더 복잡한 기계가 필요합니다. 그래서 우리는 인쇄 후 통합으로 2단계 프로세스를 만들었습니다.”

Red 시리즈를 통해 9T Labs는 현재 복합 재료 생산 방법에 비해 저렴한 비용으로>50%의 섬유 부피와 <1%의 공극을 갖는 3D 인쇄 CFRP 구조를 달성했습니다. 출처 | 9T 연구소.

레드 시리즈, 2단계 프로세스

그것이 우리를 오늘날의 9T Labs로 이끕니다. Cavolina는 "우리는 특허 받은 프린트 헤드가 있는 고전적인 FDM 인쇄 장치와 후처리를 위한 인접 퓨전 장치의 두 장치로 구성된 Red 시리즈를 상용화하고 있습니다"라고 설명합니다. “우리는 인쇄하는 동안 완전한 현장 통합을 달성하지 않고 대신 인쇄한 다음 두 번째 프로세스에서 통합합니다. 본질적으로, 우리는 1% 미만의 공극과 함께 50% 이상의 섬유 부피 함량을 달성하기 위해 고온 및 고압을 사용하여 사후 통합을 위해 Fusion Unit에 배치되는 프리폼을 인쇄하고 있습니다. 이 2단계 프로세스는 저렴한 비용으로 항공우주 품질을 달성합니다.”

Red 시리즈는 현재로서는 열가소성 재료를 사용합니다. Cavolina는 "PEI, PEKK, PA(나일론)로 탄소 섬유를 인쇄하고 PP에도 경험이 있습니다. Red 시리즈는 개방형 재료 시스템입니까? "비용 경쟁력을 갖추는 유일한 방법은 기존 재료를 새로운 제조 공정과 함께 사용하는 것입니다."라고 그는 설명합니다. “만약 당신이 처음부터 당신 자신의 재료를 생각해낸다면, 당신은 시리즈 제조에 들어갈 수 있는 것을 배제합니다. 공급망 보안 및 신뢰성을 위해 시리즈 제조업체는 재료를 소규모 회사에 의존하지 않습니다. 따라서 우리는 재료가 우리 시스템에서 작동하는지 확인함으로써 고객이 기존 재료 공급을 사용할 수 있도록 합니다.” 그는 9T Labs가 재료를 테스트하여 공급 원료가 특정 요구 사항을 충족하는지 확인하고 인쇄에 가장 적합한 매개변수를 결정한다고 설명합니다.

오픈 소프트웨어는 어떻습니까? Cavolina는 “저희 인쇄 소프트웨어는 구조 시뮬레이션 소프트웨어와 결합되어 있습니다. "기술자로서 섬유를 필요한 곳에 배치하는 것은 좋은 일이지만 이것이 실제로 배치되어야 할 위치에 있는지 어떻게 확신할 수 있습니까? 당사의 소프트웨어는 설계 및 구조 시뮬레이션을 통한 교차 점검의 자유를 제공합니다. 다른 방향은 구조 시뮬레이션에서 섬유 지향 레이업을 정의한 다음 우리 소프트웨어에서 인쇄 경로로 변환하는 것입니다. 백그라운드에서 실행되는 FEA에 대해 잘 알려진 기존 파트너를 사용합니다. CAD에서 직접 부품을 설계한 다음 해당 파일을 당사 프로그램에 업로드할 수도 있습니다. 거기에서 탄소 섬유를 원하는 위치와 순수한 폴리머로 충분한 위치를 결정합니다.”

비항공우주 분야용 CFRP 브래킷과 로커암은 실제로 항공우주 라미네이트 요구사항을 충족하며 40개 이상의 플라이가 특징입니다. 출처 | 9T 연구소.

응용 프로그램

9T Labs는 항공우주(현재는 인테리어), 생물의학 및 산업 자동화(예:포장 기계), 레저/명품(예:모터스포츠, 스포츠 신발, 안경)을 추구하고 있습니다. Cavolina는 이 마지막 시장이 "구조용 복합 재료가 필요한 곳이지만 요구 사항은 항공 우주만큼 엄격하지 않습니다."라고 말합니다. 그는 위에 표시된 로커 암을 인용합니다. "이것은 우리 기술을 사용하여 최적화된 방식으로 생산할 수 있는 구조적 응용을 나타내는 비항공우주 구조물용 브래킷입니다."라고 그는 설명합니다. “로드 케이스에 따라 탄소 섬유를 배향하여 무게를 줄이기 위해 토폴로지가 최적화된 알루미늄 부품에서 나옵니다. 다른 복합 재료 공정에 비해 사용되는 탄소 섬유의 양을 줄일 수 있기 때문에 비용을 절감할 수 있습니다. 고해상도로 모든 광섬유를 필요한 만큼 배향하는 것은 다른 방법으로는 불가능하기 때문에 다른 방법으로는 만들 수 없습니다.”

4개의 다른 연속 탄소 섬유 레이업이 9T Labs Red 시리즈로 인쇄된 CFRP 브래킷의 두께 전체에 걸쳐 번갈아 사용됩니다. 출처 | 9T 연구소.

Cavolina는 이 로커 암이 40개 이상의 섬유 및 폴리머 레이어로 구성되어 있으며 "모든 레이어에서 다른 섬유 방향을 가질 수 있습니다. 준등방성에 국한되지 않은 4가지 다른 레이업을 시도했습니다. 이러한 자유 덕분에 합성물의 이방성을 활용하여 최종 사용 구조를 더욱 최적화할 수 있습니다. 현재의 다른 제조 방법으로는 불가능합니다.”

그는 또한 3D 프린팅 CFRP가 핸드 레이업에 비해 자동화된 프로세스라고 지적합니다. Cavolina는 "우리 기술은 자동화된 레이업을 통해 수작업을 크게 줄입니다."라고 말합니다. "저희 기술을 사용하면 인쇄하고 통합하기만 하면 됩니다."

Red 시리즈는 더 작고 복잡한 모놀리식 CFRP 프리폼을 인쇄한 다음 확장 가능한 산업용 시리즈 생산을 위해 두 번째 단계에서 통합됩니다. 출처 | 9T 연구소.

레드 시리즈 인쇄 크기, 속도 및 정식 출시

Red 시리즈는 350mm x 300mm의 인쇄 영역 내에서 시리즈 제조를 위한 더 작은 모놀리식 부품을 목표로 합니다. Cavolina는 "여기서 우리는 현재 고객을 위한 가장 높은 부가가치를 보고 있습니다."라고 설명합니다.

인쇄 속도는 어떻습니까? Cavolina는 "우리는 향후 1~2년 동안 다양한 고객을 위해 연간 4,000~8,000개의 부품을 생산하는 것에 대해 매우 구체적인 방식으로 이야기하고 있으며, 이는 Red Series 트윈 유닛으로 달성할 수 있습니다."라고 말합니다. "복잡하고 상세한 프리폼의 생산을 통합에서 분리했기 때문에 이제 생산량을 빠르게 늘릴 수 있습니다."

“장비, 인건비, 재료비를 포함한 프로세스의 비용 구조를 분석하는 데 많은 시간을 할애했습니다.”라고 그는 대답합니다. “저희는 저렴한 장비 비용 구조를 가지고 있고 예비 성형 공정을 자동화했습니다. 우리는 가장 저렴하고 효율적인 재료를 사용하고 로드 케이스당 섬유 방향을 지정하고 구조적 최적화를 사용하여 필요한 재료의 양을 줄입니다. 우리는 구조 및 프로세스 시뮬레이션에서 파트너와 긴밀하게 협력하고 있으며 4.0 생산 라인 및 셀에서 플러그 앤 플레이를 가능하게 하기 위해 디지털 트윈 기술을 사용하는 생산 목표의 큰 부분으로 계속 성장할 것으로 보고 있습니다.”

Red Series는 2020년에 출시될 예정입니다. “이제 프로덕션 파트너와의 협업 프로그램을 통해 평가하고 있습니다. 우리는 그들과 함께 부품과 프로세스를 인증하므로 Red Series 기계를 위한 첫 번째 슬롯을 예약했고 이를 최종 사용 제품을 제조하는 데 사용할 것입니다.”