초고함량 3D 프린팅 복합소재: 섬유 함량 60%, 보이드 1% 미만 달성

"우리의 주 목표는 산업용 구조 연속 섬유 복합소재를 생산하는 것"이라고 9T 랩스(9T Labs, 스위스 취리히) 공동 창업자 지오바니 카볼리나(Giovanni Cavolina)는 말합니다. "CFRP(탄소섬유 강화 폴리머) 부품 제조자들과 이야기해보면, 연속 섬유 3D 프린팅으로 초저 보이드 함량이나 층간 전단 강도(ILSS) 확보가 가능하다고 믿는 사람은 거의 없습니다." 그러나 9T 랩스는 보이드를 제거하는 특허 받은 후공정을 개발했습니다. "이제 연속 섬유 복합소재를 3D 프린팅으로 층간 우수한 접착력과 1% 미만 보이드 함량으로 제작할 수 있으며, 이는 기존 제조 복합소재와 경쟁 가능한 수준입니다."

ETH 취리히에서 시작

9T 랩스는 스위스 연방 공과대학 취리히(ETH Zurich) 복합소재 및 적응 구조 연구실(CMAS) 연구 프로젝트에서 출발했습니다. 카볼리나와 공동 창업자 마르틴 아이헨호퍼(Martin Eichenhofer), 체스터 하우윙크(Chester Houwink)는 복합소재 프린트헤드를 개발해 로봇 팔에 장착, 항공우주용 초경량 샌드위치 구조 격자 코어를 제작했습니다.

카본킷(CarbonKit)은 기성 FDM 프린터로 연속 탄소섬유 사용을 가능하게 한 한정 출시 제품이었으나, 아직 비용 경쟁력 있는 산업용 CFRP 구조 부품 생산 솔루션은 아니었습니다. 출처 | 9T 랩스.

카본킷(CarbonKit)

이에 2018년 초 9T 랩스를 설립해 3D 프린팅 모놀리식 CFRP 라미네이트가 잠재 고객 요구를 충족할 수 있음을 입증하고자 했습니다. "다음 단계가 카본킷"이라고 카볼리나는 설명합니다. 이 제품은 CW 2019년 3월 기사 '연속 섬유 3D 프린팅, 양산 단계로 진입'에 소개된 바 있습니다. 카본킷은 얼티메이커(Ultimaker)나 프루사(Prusa) 3D 프린터를 연속 탄소섬유 프린팅 가능 시스템으로 전환시킵니다. "기존 프린터에 우리 프린트헤드, 필라멘트, 소프트웨어를 조합해 하중 케이스에 따라 연속 섬유를 배치하며, 탄소섬유 체적 함량 50% 달성 — 기존 CFRP 3D 프린팅의 통상 30%를 크게 상회한다"고 덧붙입니다.

카볼리나는 "이 제품에 대한 관심은 컸지만 25개 고객사에만 공급했다. 단일 단계 FDM(용융 적층 모델링) 공정만으로는 산업용 항공우주 최종 부품을 기존 기술과 비용 경쟁력 있게 생산할 수 없음을 깨달아 제품을 한정했다"고 설명합니다. "인시추 콘솔리데이션이 FDM으로 가능하긴 하지만 훨씬 복잡하고 비용 금지적인 장비가 필요하다. 그래서 후공정 콘솔리데이션을 포함한 2단계 공정을 개발했다."

하지만 카본킷을 통해 귀중한 고객 관계를 구축했습니다. "카본킷으로는 실제 생산 불가능한 부품이었지만, 기업들이 기대하고 필요로 하는 바를 학습할 수 있었다"며 "인시추 콘솔리데이션은 FDM으로 가능하지만 훨씬 복잡하고 비용이 많이 드는 장비가 필요하므로, 프린팅 후 콘솔리데이션하는 2단계 공정을 만들었다"고 회고합니다.

레드 시리즈로 9T 랩스는 >50% 섬유 체적 함량, <1% 보이드, 기존 복합소재 생산 방식 대비 경쟁력 있는 비용으로 3D 프린팅 CFRP 구조물 구현. 출처 | 9T 랩스.

레드 시리즈, 2단계 공정

현재 9T 랩스의 위치입니다. "레드 시리즈를 상용화 중이며, 두 유닛으로 구성: 특허 프린트헤드 장착 클래식 FDM 프린팅 유닛과 인접한 후공정용 퓨전 유닛(Fusion Unit)"이라고 카볼리나는 설명합니다. "프린팅 중 완전 인시추 콘솔리데이션을 달성하지 않고, 대신 프린팅 후 2차 공정으로 콘솔리데이션한다. 본질적으로 프리폼을 프린팅해 퓨전 유닛에서 고온 고압으로 후처리해 50% 이상 섬유 체적 함량, 1% 미만 보이드를 달성한다. 이 2단계 공정으로 항공우주 품질을 경쟁력 있는 비용으로 구현한다."

레드 시리즈는 현재 열가소성 소재를 사용합니다. "탄소섬유에 PEI, PEKK, PA(나일론) 사용 중이며 PP 경험도 있다"고 카볼리나는 말합니다. 레드 시리즈는 오픈 머티리얼 시스템인가? "기존 소재를 새로운 제조 공정으로 활용해야 비용 경쟁력이 있다"며 "자체 소재를 처음부터 개발하면 양산 공급망 진입이 배제된다. 양산 제조사는 소규모 기업에 소재 공급을 의존하지 않는다. 그래서 고객이 기존 소재 공급망을 그대로 쓰도록 우리 시스템에서 작동하는지 검증하고 최적 프린팅 파라미터를 결정한다"고 설명합니다.

오픈 소프트웨어는? "우리 프린트 소프트웨어는 구조 시뮬레이션 소프트웨어와 결합되어 있다"며 "엔지니어로서 섬유를 필요한 곳에 배치하는 자유도가 있지만, 그곳이 정말 최적인지 어떻게 확인하나? 우리 소프트웨어로 설계 후 구조 시뮬레이션으로 교차 검증한다. 역방향으로 구조 시뮬레이션에서 섬유 배향 레이아웃 정의 후 우리 소프트웨어에서 프린트 경로로 변환도 가능하다. 검증된 유명 FEA 파트너를 백그라운드에서 구동한다. CAD에서 직접 부품 설계 후 우리 프로그램에 업로드해 탄소섬유 필요 영역과 순수 폴리머 충분 영역을 지정할 수도 있다."

비항공우주용 CFRP 브래킷과 로커 암이 실제 항공우주 라미네이트 요건 충족, 40플라이 이상 — 각 플라이마다 다른 섬유 배향으로 이방성 활용해 기존 제조 불가능한 구조 부품 최적화. 출처 | 9T 랩스.

애플리케이션

9T 랩스는 항공우주(현재 인테리어), 생물의료, 산업 자동화(포장 기계 등), 레저/럭셔리(모터스포츠, 스포츠화, 안경테)를 공략합니다. 카볼리나는 "마지막 시장은 구조 복합소재가 필요하지만 항공우주만큼 엄격하지 않다"고 말합니다. 위 사진 로커 암을 예로 듭니다. "비항공우주 구조용 브래킷으로 하중 케이스에 맞춰 탄소섬유 배향으로 위상 최적화된 알루미늄 부품 대체품이다. 하중 케이스에 맞춰 섬유 배향으로 탄소섬유 사용량 감축해 비용 절감 가능. 다른 복합소재 공정으로는 고해상도마다 섬유 배향 제어가 불가능해 제작 불가하다."

9T 랩스 레드 시리즈로 프린팅된 CFRP 브래킷 두께 방향으로 4가지 다른 연속 탄소섬유 레이업이 번갈아 적층. 출처 | 9T 랩스.

카볼리나는 이 로커 암이 40층 이상 섬유/폴리머 층으로 구성되며 "매 층마다 다른 섬유 배향이 가능하다. 4가지 레이업 시도, 준등방성에 국한되지 않는다. 이 자유도로 복합소재 이방성을 추가 활용해 최종 구조물 최적화 가능. 기존 제조 방식으로는 불가능하다"고 강조합니다.

3D 프린팅 CFRP가 수작업 레이업 대비 자동화 공정임을 지적합니다. "우리 기술로 자동 레이업 통해 수작업 노동 대폭 절감"이라며 "프린팅, 콘솔리데이션, 완료면 끝이다."

레드 시리즈는 소형 복합 단일체 CFRP 프리폼을 프린팅 후 2단계 콘솔리데이션으로 확장 가능한 산업 양산 구현. 출처 | 9T 랩스.

레드 시리즈 프린트 크기, 속도, 정식 출시

레드 시리즈는 350×300mm 프린트 영역 내 소형 단일체 부품 양산 타깃입니다. "현재 고객에게 최고 부가가치 제공 영역"이라고 카볼리나는 설명합니다.

프린트 속도는? "레드 시리즈 트윈 유닛으로 향후 1~2년 내 연 4,000~8,000개 부품을 다양한 고객사에 생산하는 구체적 계획을 논의 중"이라며 "복잡한 디테일 프리폼 생산과 콘솔리데이션을 분리해 생산량 신속 확대가 가능해졌다."

"장비, 인건비, 소재비 포함 공정 비용 구조를 심층 분석했다"며 "합리적 장비 비용 구조, 자동화된 프리포밍 공정, 가장 저렴하고 효율적인 소재 사용, 하중 케이스별 섬유 배향과 구조 최적화로 소재 사용량 절감. 구조·공정 시뮬레이션 파트너들과 긴밀 협력 중이며, 디지털 트윈 기술로 4.0 생산 라인/셀과 플러그앤플레이 연계하며 지속 성장할 것"이라고 전망합니다.

레드 시리즈는 2020년 출시 예정입니다. "현재 협업 프로그램으로 생산 파트너들과 평가 중이다. 부품과 공정 인증 후 첫 슬롯 예약받아 최종 제품 제조에 투입할 계획이다."