모이 컴포지츠(MOI Composites), 연속 섬유 3D 프린팅으로 복합재 제조 혁신 주도

연속 섬유 3D 프린팅 및 증착 기술이 탄력을 받고 있다. 이 기술을 활용하고 발전시키는 기업이 늘어남에 따라 복합재 산업의 판도를 바꿀 것이 확실시된다.

연속 섬유 제조(CFM) 기술의 3대 강점

• 금형이나 툴링 없이 제작 가능
• 다기능 구조 구현 가능 (예: 전기 전도성, 형상 변화, 센싱)
• 하이브리드 제조의 새 지평 개척: 3D 프린팅 위에 라미네이션, 프린팅 중 밀링 등 가능, 니티놀 형상 기억 합금(SMA) 섬유부터 액체 증착 모델링(LDM)용 전도성 나노복합재까지 소재 개발의 무한한 가능성 제시

특허 WO2017085649A1 및 아트로포스(Atropos) 프린팅 시스템. 출처: 모이 컴포지츠.

모이 컴포지츠의 탄생과 발전

모이 컴포지츠는 2018년 2월, 소재 공학자이자 교수인 마리넬라 레비(Marinella Levi), 설계 엔지니어 가브리엘레 나탈레(Gabriele Natale), 건축가 미켈레 토니초(Michele Tonizzo)에 의해 설립되었다. 2013년 레비 교수는 밀라노 공과대학(Politecnico di Milano)에서 3D 프린팅 연구를 시작했고, 2014년에는 대학의 화학·소재·화학공학과 '줄리오 나타(Giulio Natta)' 부서 내에 +LAB을 결성했다. 그의 비전은 R&D, 교육, 소재 혁신을 융합해 엔지니어, 디자이너, 연구자, 메이커를 아우르는 다학제적 협업 3D 프린팅 허브를 만드는 것이었다.

2014 연속 섬유 열경화성 복합재 3D 프린팅 최초 툴 개발
2015 특허 WO2017085649A1 출원
2016 오웬스 코닝(Owens Corning) 및 쿠카 로보틱스(KUKA Robotics)와 파트너십 체결, 아트로포스(Atropos) 프로젝트 및 프린팅 시스템 개발
2017 JEC 혁신상 수상, 오토데스크(Autodesk)와 파트너십, 제임스 다이슨 어워드 준우승, 코마우(COMAU) 자동화와 파트너십

"상용 부품을 생산하고 국제 프로젝트에 참여하고자 모이 컴포지츠를 설립했습니다."라고 토니초는 설명한다. "시장 수요가 충분함을 확인했습니다. 유리섬유를 주로 사용해 생물의료 부품뿐만 아니라 해양, 오일&가스, 항공우주 분야 부품도 제작 중입니다. CFM 기술은 기존 공법으로는 불가능한 독창적 솔루션을 제조할 수 있게 해줍니다."

내부 구조 트러스가 있는 3D 프린팅 프로펠러 블레이드(상단). 비선형 곡선을 따른 섬유 배치(하단 좌) 및 전통적 섬유 방향(0°, ±45°, 90°)의 연속 섬유 라미네이트(하단 우) 시연. 출처: 모이 컴포지츠.

다양한 수지와 섬유

아트로포스는 불연속 및 연속 섬유 강화 열경화성 폴리머를 레이어별뿐만 아니라 비선형 곡선을 따라 프린팅할 수 있음을 입증했다. 폴리머 경화에는 자외선(UV)을 사용한다. "현재 에폭시, 아크릴, 비닐에스터 등 UV 경화 수지로 프린팅 가능합니다."라고 토니초는 말한다. 아크릴은 투명하고 경화/후경화에 열이 필요 없어 건축 부품에 적합하다. 비닐에스터는 해양 부품, 에폭시는 오일&가스 및 항공우주 부품에 쓰인다.

"일부 응용 분야에서는 UV 경화가 초기 단계일 뿐, 이후 통상적 가열로 후경화합니다."라고 토니초는 덧붙인다. "UV 경화에 국한되지 않습니다. 비UV 경화 폴리머로도 프린팅했으며, 더 높은 물성이 요구되는 응용 분야에는 다른 매트릭스 옵션이 필요함을 이해합니다." 참고로 그들이 가장 많이 사용하는 비닐에스터 수지의 유리 전이 온도(Tg)는 약 140°C다.

"탄소섬유도 연구 중이나 UV 경화 수지로는 작업하지 않습니다."라고 토니초는 말한다. 섬유의 투명도와 색상 모두 UV 경화에 영향을 준다. "탄소섬유는 불투명하고 검은색이라 최악의 조합입니다. 단순히 작동하는 쉬운 기술이 아닌, 소재로서 탄소섬유에 최적화된 솔루션을 개발하려 합니다. 다른 경화 소재 옵션도 많으니 이를 조사 중입니다."

모이 컴포지츠는 전기/열 기능, 센싱, 형상 변화 등을 위한 연속 전도성 섬유 프린팅이 가능합니다. 출처: 모이 컴포지츠.

모이 컴포지츠는 최대 2400 텍스(207 yd/lb, 최대 직경 24µm, 오웬스 코닝 데이터시트 기준)의 연속 유리섬유 프린팅에 성공했으며 천연 섬유도 테스트 중이다. 현무암 섬유로도 프린팅했다. "현무암 섬유는 실제로는 약간 투명하고 검은색보다 갈색에 가까워 UV 경화로도 매우 잘 프린팅됩니다."라고 토니초는 설명한다.

전기를 전도하는 섬유도 CFM 기술에 활용 가능하다. 프린팅되는 구조물 내 필요한 위치에 배치할 수 있다. +LAB 웹사이트에 게재된 프로젝트 중에는 니티놀 섬유(형상 기억 합금)도 있다. "형상 변화 구조물을 만들 수 있습니다."라고 토니초는 말한다. "예를 들어 프리스트레스트 콘크리트처럼 다른 섬유의 응력을 해제하는 데 활용할 수 있습니다."

하이브리드 제조의 일환으로서 3D 프린팅

아트로포스는 0.5×0.5×0.5m 높이의 프린트 엔벨로프를 가진 쿠카 로봇 팔을 사용한다. "현재는 1.0×0.5×0.8m 높이 엔벨로프의 코마우 로봇으로 프린팅 중인데, 이것이 2세대 시스템입니다."라고 토니초는 말한다. "더 큰 로봇과 로터리 테이블을 사용해 1.5×1.5×1m 높이의 빌드 볼륨에서도 기술의 확장 용이성을 입증했습니다."

모이는 또한 압력 가해 시스템, 센서, 절단 장치, 밀링 툴을 갖춘 3세대 올인원 프린트 헤드도 개발 중이다. 토니초는 이것이 3D 프린팅과 자동 섬유 배치(AFP) 사이의 간극을 좁혀줄 것이라 말한다. "3D 프린팅은 AFP의 성능을 달성하진 못하지만 CFM은 더 큰 유연성을 제공합니다. 이미 0.25mm 두께의 섬유로 프린팅 가능하며 연속 섬유를 이상적 위치에 배치하는 능력을 갖췄습니다."

최소 무게, 처짐, 비용에 최적화된 하지 의족 SuPeRIOR. 3D 프린팅 구조 코어를 탄소섬유와 에폭시 수지로 라미네이팅 후 VBO 경화. 출처: 모이 컴포지츠.

"3D 프린팅은 가장 잘하는 용도에 써야 합니다."라고 토니초는 강조한다. "워크플로 최적화가 그 예입니다. 언더컷과 스마트한 섬유 방향을 가진 내부 코어를 3D 프린팅한 뒤, 그 위에 통상적인 핸드 라미네이션을 하고 오토클레이브나 진공 백만으로 경화할 수 있습니다." 그는 기존 금형으로는 불가능했던 부품 사례를 설명한다. "내부 코어를 프린팅하고 라미네이트로 감싼 뒤 110°C, 2바 압력으로 수시간 오토클레이브 경화했습니다. 결과물이 훌륭했습니다." 이 부품은 NDA 적용 중이나, SuPeRIOR 의족을 유사 방식으로 제작했다(오토클레이브 대신 진공 백만 사용). "내부는 모두 하나의 연속 유리섬유를 사용하지만, 외피 라미네이트는 핸드 레이업한 탄소섬유 직물과 에폭시 수지입니다." 전체 설계는 처짐을 줄이고 맞춤화를 높이며 비용과 생산 시간을 대폭 단축한다.

복셀 기반 최적화 소프트웨어

토니초에 따르면 부품 설계 과정은 오토데스크의 복셀 기반 알고리즘과 모이의 응력 및 경로 최적화 알고리즘을 결합한다. 이것이 구조물에 최적화된 섬유 경로를 생성한다. 소프트웨어는 제조 가능성 높은 경로도 선택한다. "이는 반복적 과정입니다."라고 토니초는 말한다. "생성 설계처럼 완전히 자동화되진 않습니다. 여전히 엔지니어의 판단이 필요합니다. 하지만 디자이너와 소프트웨어가 결합된 이 방식이 바람직하다고 봅니다. AI만으로는 안 됩니다."

다중 소재의 미래, 강력한 시장 잠재력

아트로포스 프린팅 프로펠러 블레이드 이미지 중 클로즈업에는 거의 직조된 듯한 패턴이 보인다. "실제 직조는 아니지만 곧 가능해질 것입니다."라고 토니초는 말한다. 그는 +LAB 웹사이트의 사인 웨이브 프로젝트를 가리킨다. "시연체는 우리가 +LAB 연구원 시절 LDM(액체 증착 모델링) 공정으로 단섬유가 든 플라스틱으로 3D 프린팅한 것입니다. 당시 사용한 알고리즘을 지금 연속 섬유에 적용해 발전시키고 있습니다."

+LAB의 사인 웨이브(Sine Wave)는 조정 가능한 탄성 반응을 가진 3D 프린팅 폴리머 인필 패턴을 시연합니다. 출처: +LAB.

+LAB 웹사이트에서 보듯 이 유형 프린팅의 소재 혁신과 가능성은 거의 무한하다. 문제는 무엇이 가장 수요 높은 솔루션에 기회와 잠재력을 줄 것인가다. 한편 소재 공급업체들도 지속적 개발을 지원한다. 예를 들어 오웬스 코닝은 세라믹, 콘크리트 등 더 다양한 매트릭스와의 유리섬유 결합을 시연하는 데 관심이 있다. 이는 디지털 제조, 에너지 효율적 건설, 현장 외부 프리팩 모듈, 천연·재생 소재를 통한 지속가능성 개선 등 경량화를 강조하는 현재 건축 트렌드와 맞물려 큰 잠재력이 있다. "밀라노 공대 줄리오 나타 학부가 콘크리트처럼 행동하는 지오폴리머 프린팅 EU 프로젝트에 참여 중입니다."라고 토니초는 덧붙인다. "프린팅 중에는 점토 같은 점성을 가져 흐름이 좋고, 시간이 지나면 스스로 경화합니다. 이 분야뿐만 아니라 새로운 폴리머와 섬유와의 작업도 지속할 것입니다."

모이 컴포지츠는 콘크리트처럼 행동하는 지오폴리머로도 프린팅 중입니다. 출처: +LAB.

머신 판매 계획은? "네, 하지만 미래의 일입니다."라고 토니초는 답한다. "현재는 우리 노하우, 프린트 헤드, 소프트웨어를 활용해 고객 시설에서 주문형 부품 솔루션을 구현하는 파트 생산에 주력합니다." 그는 지난 1년간 CFM 얼리 어답터들과 기술을 개선하고 다양한 시장 부품의 비즈니스 케이스를 입증해온 모이 컴포지츠가 이제 CFM 머신과 공정의 상업적 확장을 위해 투자자를 모색 중이라고 덧붙였다.