자기장 3D 프린팅으로 맞춤형 소재 구현: 복합재 제조 혁신

Fortify(미국 매사추세츠 보스턴)는 2016년 설립되었으며, Northeastern University 보스턴 DAPS Lab 디렉터 Randall Erb와 Josh Martin(Fortify CEO)의 복합재 3D 프린팅 연구에 기반합니다. (Erb는 Boston Materials와 Fortify의 공동 창업자이기도 합니다.) 이들의 목표는 최적화된 미세구조를 가진 복합재의 빠른 생산을 가능하게 하는 것이었습니다. 이들이 개발한 특허받은 Fluxprint 기술은 자기장과 디지털 라이트 프로세싱(DLP)을 사용하지만, 고충진 수지 시스템으로 맞춤형 미세구조를 고해상도 3D 프린팅 복합 부품에 구현합니다.

 

Fluxprint vs. DLP

DLP와 스테레오리소그래피(SLA)는 현재 부품 복잡성과 정밀도 면에서 가장 높은 3D 프린팅 기술로 여겨집니다. 둘 다 빛(일반적으로 자외선(UV))을 사용해 광민감성 수지(보통 에폭시 또는 아크릴 및 메타크릴 단량체)를 경화시킵니다. 빛은 시스템 탱크의 수지에 디지털 방식으로 비춰 각 레이어의 형상이나 패턴을 만듭니다. 제작 플랫폼은 각 레이어 후 이동해 다음 레이어를 프린팅하고 고체 부품으로 진행합니다.

DLP 프로젝터와 SLA는 1980년대 3D 프린팅 태동기부터 존재했습니다. DLP 프린터는 실제 라이트 프로젝터를 내장해 더 큰 경향이 있습니다. 대부분 SLA와 DLP 기계는 열경화성 폴리머를 사용하지만 EnvisionTEC은 열가소성도 사용 가능한 프린터를 만듭니다. 둘 다 전통적으로 보강재 없는 순수 폴리머를 사용했습니다.

DLP vs SLA 비교. 출처 | Royal Society of Chemistry 및 Ricardo Pires의 "DLP vs SLA – 3D Printing Technologies Shootout", all3DP.com

 

"DLP 플랫폼은 충분한 생산 속도와 품질을 제공하지만, 기계적 특성은 항상 과제였습니다." Fortify CEO Josh Martin은 말합니다. "우리의 핵심 논제는 폴리머 화학만으로는 성능의 단계적 도약이 불가능하다는 것입니다. 그러나 고해상도 적층 산업에서 복합재의 독특한 특성을 활용하면 게임 체인저가 될 것입니다."

그는 Fortify가 독특한 첨가제를 사용하고 프린팅 중 이 물성 강화 첨가제의 배향을 제어해 고충진 기술 수지의 UV 경화를 전문으로 한다고 설명합니다. 필러에는 유리, 탄소, 세라믹 섬유와 입자가 포함됩니다. 기술 수지에는 아크릴레이트와 메타크릴레이트 기반(PMMA) 또는 에폭시 기반, 양이온 기반이 있는데, Martin은 이들이 코팅 산업에서 더 일반적이라고 설명합니다. 전 세계 주요 수지 제조사들(BASF, DSM, Dupont 등)이 첨가제 소재 물성 발전에 막대한 투자를 하고 있습니다. Fortify는 이러한 발전 중 최고를 선택해 자사 보강 기술에 추가할 수 있습니다.

 

섬유 배향 제어는 자기장을 사용해 달성합니다. Fortify가 Fluxprint 기술로 부품을 3D 프린팅할 때, 섬유는 복셀 단위로 자기 정렬되어 부품의 하중 요구사항을 충족합니다. (위 영상에서 공정 작동 확인.) 비자성 보강 소재(세라믹, 유리 입자 및 섬유)에는 독자적 자기 라벨링 기술로 필러를 코팅해 자기 반응성과 수지 호환성을 부여합니다.

 

Fluxprint 공정은 위 이미지에 표시되고 다음과 같이 설명됩니다:

1. 공급 소재 레이어가 무작위 배향된 보강재와 함께 빌드 영역에 공급됩니다.
2. 자기장이 적용되어 보강재가 정렬됩니다.
3. 활성 복셀이 UV 빛에 노출되어 해당 복셀의 보강재 배향이 고정됩니다(이제 빨간색 표시).
4. 자기장이 이동해 보강재의 새로운 배향을 설정합니다.
5. 다음 복셀 세트의 배향 고정을 위해 UV 노출 단계를 반복합니다(필요한 만큼 반복).
6. 빌드 플레이트가 조정되어 다음 프린트 레이어를 위한 미경화 공급 소재 매트릭스를 가져옵니다.

Fluxprint 기술은 프린팅 공정 중 복셀 수준의 섬유 배향 제어를 가능하게 합니다.
출처 | "Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing" by Joshua J. Martin, Brad E. Fiore and Randall M. Erb, Nature Communications volume6, Article number: 8641 (2015).

 

왜 복셀 단위인가?

"모든 기하학은 고유한 변형률과 응력 상태를 가집니다." Martin은 설명합니다. "대부분 복합재는 이를 고려해 수작업으로 제조됩니다. 우리는 이 과정을 디지털화합니다. 예를 들어 UAV 프레임을 적절히 보강하면 소재 사용을 줄일 수 있습니다. 중력에 대항하는 모든 응용 분야는 근본적으로 이 기술의 이점을 얻습니다."

복셀 단위 프린팅은 본질적으로 고해상도입니다. "이것은 현재까지 최고 해상도 복합재 제조 공정입니다." Martin은 말하며, 용융 적층 모델링(FDM) - 비보강 또는 밀드 섬유 강화 플라스틱 필라멘트를 녹여 프린트 베드에 적층 - 의 해상도가 수백 마이크로미터인 반면 Fluxprint는 수십 마이크로미터 이내라고 지적합니다. "이는 한 자릿수 개선으로 육안으로 인식되는 영역을 넘어섭니다. 이런 해상도는 다양한 최종 사용 부품에 매우 중요합니다."

Fortify의 Fluxprint 자기 3D 프린팅 기술로 사출 금형 툴링의 '페그' 돌출부 보강 가능. 출처 | Fortify.

"기존 기계 가공 금속보다 훨씬 저렴하고 시간도 단축되며 기존 가공 관행으로는 달성할 수 없는 기능을 제공하는 사출 금형 툴링을 제공합니다." Martin은 계속합니다. "한 고객은 연간 12가지 설계를 알루미늄으로 가공해 반복했습니다. 우리는 그들의 시장 출시 시간을 크게 압축해 몇 달 만에 12가지 이상의 설계를 생산했습니다. 이제 설계에서 선반 위 부품까지 몇 주 만에 이동할 수 있습니다." 또 다른 이점은 '페그'라 불리는 고종횡비 돌출부 보강 능력입니다. 이들 돌출부는 종종 뽑혀 나옵니다. 보강이 이를 방지하면서 엄격한 공차를 유지합니다.

Fortify의 사출 금형 툴링 이점에 대해 자매지 Additive Manufacturing에서 더 읽어보세요.

 

오픈 소재, 새로운 개발

Fortify는 오픈 소재 접근을 추구합니다. "고객의 적층 제조 내 성장과 탐색 능력을 제한하고 싶지 않습니다." Fortify 애플리케이션 부사장 Karlo Delos Reyes는 설명합니다. "오픈 이노베이션을 수용해 고객에게 유연성과 최상의 소재를 보장합니다."

"대형 폴리머 제조사들과 파트너십을 맺고 첨가제 표면 화학을 맞춤화합니다." Martin은 말합니다. 그는 각 필러가 내마모성, 고온 성능 등에서 장단점이 있다고 지적합니다. "섬유 길이는 응용 분야에 따라 몇 µm에서 몇 mm까지 다양합니다. 표면 해상도가 필요하면 더 작은 길이 첨가제 비율을 높입니다. 거친 표면을 감수하더라도 인장 강도 최적화를 원하면 더 긴 섬유 첨가제를 사용합니다."

Fortify의 전략 중 하나는 업계 리더 및 공급업체와 파트너십을 맺어 전문성을 활용하고 아이디어 교차 수분을 가능하게 하는 것입니다. Fortify는 최근 DSM Additive Manufacturing(네덜란드 호크반홀란드, 미국 일리노이 엘긴)과 고성능 복합 소재 개발 파트너십을 발표했습니다. 이 소재는 Fortify 프린팅 시스템에서 사용돼 기계적 및 온도 성능을 확장할 것입니다. "그들은 우리의 수지 팔레트를 확장할 것입니다." Martin은 말합니다. "최첨단 수지 개발을 위해 그들과 협력하게 되어 기쁩니다."

Fluxprint로 제작한 유리섬유 강화 복합 부품. 출처 | Fortify.

 

Z-방향 보강 및 응용 분야

Fluxprint는 여전히 레이어 단위 프린팅입니다. 그렇다면 Z-방향 보강이 가능할까요? "2mm 길이 섬유를 프린팅한다면 Z-방향으로 넣을 수 없습니다." Martin은 말합니다. "하지만 더 짧은 섬유는 Z-배향으로 넣을 수 있습니다. 우리는 다중 길이 스케일을 검토 중이며 미래에 최적화된 하중 전달을 위해 개발될 것으로 봅니다."

Fortify는 이미 프로펠러 등 UAV용 부품을 생산 중이며 항공우주 분야에서 더 많은 응용을 전망합니다. "빌드 영역이 작아 소형 부품 볼륨 요구를 쉽게 충족하는 응용 분야에 집중합니다." Martin은 말합니다. "성숙한 생태계지만 고온에서 기계적 특성과 공차의 새로운 성능 수준을 제공합니다." 그는 부품의 열변형 온도 개선 가능성을 언급하며, 복잡한 기하학의 언더후드 부품이 160°C 온도에 노출되면서 강도와 강성을 제공해야 하는 자동차 분야에 수십 가지 사례가 있다고 설명합니다. "그런 복잡한 기하학 부품은 우리 기술로 3D 프린팅하기에 적합합니다. 현재 PEI(폴리에테르이미드) 성형 및 가공 방식 대비 더 높은 성능, 더 짧은 리드타임, 낮은 비용의 높은 잠재력을 제공합니다."

툴링도 현재 시장으로, 다이, 지그, 사출 금형용 픽스처 등이 포함됩니다. "다시 우리 부품은 더 강하고 강성이 높으며 고온 저항성이 있어 사용 중 치수 정확도를 유지합니다." Martin은 말합니다. "하지만 진정한 가치는 EDM 머신 등에서 필요로 하는 상당한 후처리를 요구하지 않으면서 CNC 밀링 같은 전통적 방식으로 만든 픽스처 품질과 매칭된다는 데 있습니다."

 

출처 | MultiMechanics

차세대 다중 스케일, 다기능 복합재 발전

Fortify는 첨단 소재를 위한 다중 스케일 모델링 및 시뮬레이션 소프트웨어 개발사 MultiMechanics(미국 네브래스카 오마하)와 파트너십을 맺었습니다. 이 파트너십은 여러 이유로 흥미롭습니다. 첫째, Fortify는 MultiMechanics의 주력 제품인 MultiMech를 사용해 부품 성능 예측하고 프린팅 전 설계와 섬유 배향을 최적화합니다. thus MultiMech는 폐루프 반복 설계를 위한 피드백 역할을 해 사용자가 Fluxprint 복합 부품을 더 빠르게 맞춤화하고 최적화할 수 있게 합니다. Fortify와 MultiMechanics는 또한 MultiMech를 Fortify의 INFORM 생성 설계 및 프린트 제어 소프트웨어에 통합할 계획입니다. thus 설계부터 가상 테스트, 프린팅까지 모든 기능이 단일 디지털 스트림 내에서 제어됩니다.

둘째, MultiMechanics가 MultiMech 소프트웨어로 제공하는 것을 이해하는 게 중요합니다:

• 다중 스케일 유한요소 해석, 실질적으로 무제한 스케일 모델링(나노, 마이크로, 플라이, 라미네이트, 부품 등).

• 복잡한 3D 유한요소 미세구조 자동 생성, 연속 및 절단 섬유, 입자, 보이드, 폼, 패브릭 등 거의 모든 소재 미세구조 모델링.
   

• 미세구조 구성요소 효과 모델링, 상호작용, 부피 분율, 분포, 배향 포함, 프로그램(예: Moldex3D, Moldflow)에서 공정 유도 변이 임포트.

• 제조 변이가 부품 성능에 미치는 영향 분석 및 손상 모델링 수행, 마이크로 크랙에서 매크로 크랙으로의 다중 스케일 전이 포함.

이는 Martin과 Erb가 처음 Fortify를 시작한 이유와 연결됩니다. 2015년 논문 "Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing"에서 그들은 다음과 같이 말합니다:

Martin과 Erb는 자연 복합재가 불연속 섬유와 보강 입자를 다중 스케일, 복잡한 구조로 조직화해 구성 성분 대비 우수한 특성을 달성한다고 논의합니다. 2017년 Materials Today 기사에서 Qunfeng Cheng이 든 예는 전복 껍질의 진주층입니다. 95 vol% 무기질 아라고나이트와 5 vol% 유기 단백질 매트릭스로 구성된 진주층의 파괴 인성은 아라고나이트의 3,000배입니다. Cheng은 이는 전통적 복합재의 혼합 법칙을 훨씬 넘어서는 기계적 특성의 '증폭 효과'를 보여준다고 지적합니다.

2018년 Advanced Materials 기사 "Additive Manufacturing as a Method to Design and Optimize Bioinspired Structures"에서 Audrey Velasco-Hogan, Jun Xu, Marc A. Meyers 저자들은 진주층, 뼈, 대나무, 갑각류 껍질 같은 소재의 계층적 구조가 강도, 탄성률, 경량, 인성, 피로 저항의 인상적인 조합을 가능하게 하는 것이라고 주장합니다. 구성 입자/필라멘트와 매트릭스가 각 레벨(나노-, 마이크로-, 메조-, 매크로-)에서 다르게 조직화되어 각 레벨에서 특성을 변화시킵니다(즉, 다중 스케일 복합재). 효율적인 계면과 결합될 때 이 계층적 구조는 시너지적으로 크랙 전파 완화와 인성 향상을 이루면서 경도를 유지합니다. 이는 세라믹에서 약 1세기 시도에도 달성되지 못한 것입니다.

 

복합재의 미래와 INFORM

이것이 복합재의 미래입니다: 정확한 응용 분야에 맞춤화된 고유한 특성의 계층적 복합재 설계. 그리고 이미 빠르게 발전 중입니다. 예를 들어 독일 항공우주센터(DLR) 슈투트가르트 구조 및 설계 연구소도 MultiMechanics와 파트너십을 맺어 온도 변화가 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)의 미세구조와 소재 거동에 미치는 영향을 이해하고 있습니다. 이 분석은 DLR의 미래 CMC 부품 생산(로켓 노즐, 재진입체 열보호 시스템 등)에 필수적이라고 간주됩니다. "MultiMechanics에서 지난 10년간 우리 작업은 첨단 소재의 미세구조 거동을 전체 부품 성능과 제조에 정확하게 연결하는 데 전념해 왔습니다."라고 MultiMechanics의 Flavio Souza 사장 겸 CTO는 말합니다. "MultiMech로 미세구조 크랙을 모델링해 전체 복합 부품에 미치는 영향을 파악할 수 있습니다."라고 DLR 세라믹 복합재 및 구조 부문 그룹 리더 Neraj Jain은 말합니다. "MultiMech의 Abaqus, ANSYS 등 다른 FEA 툴과의 효율적 통합으로 생산성이 향상되고 CMC 소재 가상 최적화 목표에 더 가까워집니다."

이렇게 가상으로 최적화된 복합재는 MultiMech가 내장된 Fortify의 INFORM 소프트웨어로 프린팅되며, INFORM은 이미 생성 설계 백본을 통해 유기적 하중 최적화 아키텍처를 지향합니다. (Solvay 복합재 사업부도 MultiMechanics와 3D 프린팅 기술에 투자했음.)

nTopology 제공 설계의 섬유 강화 격자. 출처 | Fortify.

"INFORM은 고급 알고리즘으로 각 부품의 섬유 배향을 최적화합니다." Martin은 설명합니다. "전통적으로 3D 프린팅 워크플로는 STL로 설계를 슬라이싱하는 것으로 시작하지만, 우리 것은 FEA(응력 및 변형률 모델)로 시작해 모델된 설계를 어떤 복셀로 분리할지, 섬유를 어떻게 배향할지 결정합니다. 반복을 거치며 섬유를 응력/변형률 필드 벡터에 정렬하고, 그 프린팅이 어떻게 거동할지 시뮬레이션해 데이터를 사용해 설계를 개선 및 최적화함으로써 미세구조 생성 설계를 달성합니다."

 

단지 시작일 뿐

이 미래 복합재에는 다양한 소재가 포함됩니다. 해군연구소(NRL, 미국 버지니아 알링턴)는 나노입자 및/또는 필라멘트로 2차 세라믹 보강을 하는 세라믹 매트릭스 CMC를 개발 중입니다. 이들 CMC는 연속 섬유 보강도 사용할 수 있습니다. 즉, 서로 다른 구성 요소와 아키텍처가 각 레벨에서 사용돼 향상된 인성과 맞춤형 전기·열적 특성을 구현합니다(예: 극초음속, 2019년 7월 나노복합재 특집 참조).

출처 | Figure 3, "Designing bioinspired composite reinforcement architectures via 3D magnetic printing" by Joshua J. Martin, Brad E. Fiore and Randall M. Erb, Nature Communications, volume 6 (2015).

 

계층적 복합재는 강화 에폭시 잉크와 열가소성 폴리머 매트릭스로도 프린팅 및 테스트되고 있습니다. 이것이 스타트업 Fortify의 가장 큰 장점일 수 있습니다. 미래 복합재를 준비만 하는 게 아니라 이미 설계하고 생산하고 있습니다. 이미 달성한 것이 인상적이지만 단지 시작일 뿐입니다.