데스크톱 메탈, 엔지니어용 연속섬유 데스크톱 3D 프린터 '파이버(Fiber)' 출시

데스크톱 메탈(Desktop Metal)의 새로운 연속섬유 데스크톱 3D 프린팅 시스템. 출처 | 데스크톱 메탈

금속 3D 프린팅 선도 기업, 복합소재 분야로 영역 확장

매사추세츠 벌링턴 소재의 데스크톱 메탈은 제품 개발과 양산용 금속 3D 프린팅을 전문으로 하는 기업으로, 복합소재 커뮤니티로 기술 영역을 확대한다고 발표했습니다. 2015년 "모든 엔지니어, 디자이너, 제조업체가 3D 프린팅을 활용할 수 있게 한다"는 미션으로 설립된 이 회사는 사무실 친화적인 금속 3D 프린팅 '스튜디오 시스템(Studio System)'과 시간당 최대 12,000cm³ 출력 속도의 대량 생산용 '프로덕션 시스템(Production System)' 두 가지 금속 3D 프린팅 기술을 시장에 선보여 왔습니다. 이제 세계 최초의 진정한 연속섬유 데스크톱 프린터를 공개합니다.

"이제 모든 엔지니어와 디자이너의 책상에 연속섬유 3D 프린팅을 제공하게 되었습니다."라고 리크 풀롭(Ric Fulop) 데스크톱 메탈 CEO 겸 창업자는 말합니다.

소형 복합소재 부품 제조 자동화의 기회

적층 제조 기술의 최근 발전으로 프로토타이핑뿐만 아니라 지그, 고정구, 툴링 분야에서도 활용이 급증하고 있습니다. 데스크톱 메탈은 이 기술이 최종 사용 부품 제조 수단으로 향후 10년간 10~50배 성장할 것으로 전망합니다. 회사는 소형 복합소재 부품 제조 자동화라는 미개척 시장에서 기회를 포착했습니다. 복합소재 분야 진출의 신호탄으로, 데스크톱 메탈은 최근 메이크 컴포지츠(Make Composites Inc., 보스턴 소재)를 인수했습니다. 이 스타트업은 콘스탄틴 페트파치디스(Konstantine Fetfatsidis)가 설립했으며, 그는 2019년 SAMPE 올해의 젊은 전문가로 선정되었고 이전에는 보잉 자회사 오로라 플라이트 사이언스(Aurora Flight Sciences)에서 첨단 제조 R&D 책임자로 근무했습니다.

이제 데스크톱 메탈의 복합소재 제품 부사장이 된 페트파치디스는 창업 동기를 이렇게 설명합니다. "복합소재 R&D 경험과 항공구조물 사업 개발을 통해 고객들과 일하면서, 접근 가능한 제조 기술들을 접했는데, 특히 소형 부품에서는 여전히 핸드 레이업이 최첨단 공정이라는 사실에 실망했습니다."

그는 20파운드(약 9kg) 미만의 소형 부품의 경우 제조업체들이 여전히 주로 핸드 레이업에 의존한다고 지적합니다. 이러한 노동 집약적 공정은 기술자, 고가 툴링, 많은 시간이 필요해 전체 제조 비용을 증가시킵니다.

"경력 내내 탄소섬유를 사용하고 싶었던 수많은 애플리케이션이 있었습니다. 특히 오로라에서 eVTOL 컨셉을 작업할 때 경량성, 강성, 강도 때문에 탄소섬유를 쓰고 싶었지만 비용이 맞지 않았습니다. 자동화하고, 기존 제조 공정 단계를 통합하고, 툴링과 리드타임을 줄이는 더 나은 방법이 있어야 한다고 생각했습니다."라고 페트파치디스는 말합니다.

테이프 기반 자동화 섬유 배치(AFP) 기술 채택

데스크톱 메탈의 새로운 데스크톱 프린터는 자동화 섬유 배치(AFP) 기술을 채택해 고품질 섬유 강화 열가소성 복합소재 부품을 생산합니다. 이 기술은 상용 프리프레그 테이프를 생산하는 제조 라인과 동일한 방식을 활용해, 기존 공급망을 이용하고 단방향(UD) 테이프 시장의 성장을 활용합니다. 본질적으로 AFP 기술을 데스크톱 프린터 규모로 축소한 것입니다. 실제로 회사는 초기 프로젝트 이름을 '마이크로 AFP 키네마틱 익스트루전 시스템(Make)'에서 따왔습니다.

회사가 '파이버(Fiber)'라 명명한 이 프린터는 사무실이나 생산 현장에서 사용 가능한 모듈러 툴 체인징 시스템으로 설계되었으며, 산업용 제조 지그, 죠, 툴, 고정구뿐만 아니라 최종 사용 부품 생산이 가능합니다. 운영자는 마이크로 AFP 헤드로 소재를 적층한 후 이를 주차시키고 필요에 따라 FFF(융착 적층 모델링) 헤드로 전환할 수 있습니다.

"파이버 프린터는 고성능 AFP 연속섬유 소재의 물성과 데스크톱 3D 프린터의 경제성 및 속도를 처음으로 결합했습니다."라고 풀롭은 강조합니다.

다양한 고성능 소재 지원

이 기술은 고성능 애플리케이션에 인증된 동일한 UD 테이프를 사용합니다. 다양한 섬유와 열가소성 매트릭스 시스템의 UD 테이프 처리가 가능하지만, 초기 제공 소재로는 탄소섬유 및 유리섬유 강화 폴리아미드 6(PA6), 탄소섬유 강화 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 및 폴리에테르케톤케톤(PEKK)이 있습니다. 3mm 폭의 테이프는 일반적으로 12K 토우 섬유를 사용하며 전용 릴에 감겨 제공됩니다.

단일 3mm 폭 토우가 헤드를 통해 공급되다가 닙 영역에서 비접촉 히터로 열가소성 수지를 용융점 이상으로 가열하고, 압착 롤러가 압력을 가해 기판과의 통합을 이룹니다. 헤드 내 커터가 각 패스 끝에서 테이프를 절단합니다. 페트파치디스에 따르면 이 테이프는 일부 익스트루전 기반 연속섬유 3D 프린터에서 사용하는 1K 토우 필라멘트보다 리터당 10배 이상 저렴하면서 더 높은 품질을 제공합니다. 또한 AFP 공정을 통한 압력 가압으로 더 높은 강도를 구현합니다.

"AFP/ATL 공정에 사용되는 매우 고품질의 테이프는 탄소섬유 60%의 높은 섬유 부피 함량을 가지며, 이를 PEEK나 PEKK 같은 고온 매트릭스와 결합합니다."라고 페트파치디스는 설명합니다.

강철보다 강하고 알루미늄보다 가벼운 부품 생산

파이버 시스템으로 제작된 부품은 강철보다 강하고 알루미늄보다 가볍다고 합니다. 빌드 볼륨은 320×240×270mm(12.6×9.4×10.6인치)입니다. 장점으로는 부품 전체에 걸친 연속섬유 보강과 매우 낮은 기공률을 들 수 있습니다. 페트파치디스는 PA6 테이프로 5% 미만, PEEK/PEKK 테이프로 1% 미만의 기공률을 달성할 수 있다고 말합니다. 운영자는 복잡한 형상이나 특정 하중 조건에 맞춰 토우를 조향할 수 있습니다. 열가소성 수지이므로 오토클레이브 경화가 필요 없고, 냉동 보관도 불필요합니다.

"데스크톱에서 연속 탄소섬유와 PEEK, PEKK를 결합한 3D 프린팅 분야의 첫 제품입니다."라고 풀롭은 말합니다.

누구나 접근 가능한 가격 정책

데스크톱 메탈의 솔루션은 최종 사용 부품 생산과 열가소성 소재 사용 등 여러 장점이 있지만, 파이버 시스템의 가장 매력적인 측면은 경제성입니다. 연속섬유 열가소성 테이프를 이용한 복합소재 부품 자동 제조 시스템은 대부분 수백만 달러대입니다. 데스크톱 메탈의 파이버 시스템은 구독 서비스로 두 가지 모델을 제공합니다.

• 파이버 HT: 1% 미만 기공률, 최대 60% 연속섬유 적층, PEEK 및 PEKK 등 고급 매트릭스로 부품 생산 가능. UL 94-V0 난연 부품, 250℃까지 견디는 고온 부품, ESD 준수 부품 제작 가능. 연간 $5,495부터 시작.
• 파이버 LT: PA6 열가소성 수지로 5% 미만 기공률, 고강도 ESD 준수, 논마링(non-marring) 부품 생산 가능. 연간 $3,495부터 시작.

"집이나 사무실 책상에서 몇 천 달러로 PEEK 연속섬유 복합소재 부품을 만들 수 있게 하고 싶습니다."라고 페트파치디스는 말합니다. "AFP로 제조되는 최고급 부품에 쓰이는 동일한 테이프 기술로 고성능 복합소재 부품을 만들 수 있습니다."라고 풀롭은 덧붙입니다.

3D 프린팅의 제조 분야 역할이 커지는 가운데, 디자이너와 엔지니어는 다양한 소재를 활용할 수 있는 솔루션이 필요합니다. 파이버 시스템은 복합소재가 제공하는 경량성, 강도, 강성을 활용하고자 하는 누구에게나 고성능 복합소재를 제공하는 큰 진전입니다. 데스크톱 메탈은 2019년 11월 19~22일 독일 프랑크푸르트에서 열리는 폼넥스트(Formnext) 2019에서 파이버 연속섬유 데스크톱 3D 프린팅 시스템을 선보일 예정입니다.