3D 프린팅 진화: 연속 섬유 강화 복합소재 제조 기술

CW는 2014년 마크포지드(MarkForged)가 솔리드웍스 월드 컨퍼런스(1월 26~29일)에서 마크 원(Mark One) 프린터를 출시한 이래 연속 섬유 강화 3D 프린팅 복합소재를 다뤄왔다. 이후 아레보(Arevo)의 다축 프린팅 개발(연속 섬유, Z-방향 및 로봇 팔을 통한 윤곽 따리 프린팅)을 취재했다. 올해는 오비탈 컴포지트(Orbital Composites)와 복합소재 기술 센터의 연속 섬유 복합소재 프린팅 작업도 다뤘다.

그러나 2012년부터 연속 복합소재 프린팅을 해온 회사가 있다. CW는 2017년 1월 컨티뉴어스 컴포지츠(Continuous Composites, 미국 아이다호주 쾨르 달렌)에 대한 짧은 사이드바를 게재했지만, 그 성과는 더 긴 논의가 필요하다:

• 아라미드, 유리섬유(GF), 탄소섬유(CF), 구리, 니크롬 와이어, 광섬유 등 모든 연속 섬유로 3차원 프린팅 가능
• UV 경화 열경화성 수지 사용으로 고속 프린팅 및 공간으로 무지지 출력 가능
• 금형 없는 아웃오브오토클레이브 복합소재 제조 및 하중 경로 최적화 구현
• 오토데스크 유니버시티 2017에서 3D 프린팅된 멀티머티리얼 (초프드 CF/ABS 쉘, 연속 GF/에폭시 트러스 프레임) 러더 시연, 프린팅된 광섬유로 온도, 압력, 가속도, 전기 전도도 변화 감지 및 통신 가능

CF3D

"첨단 로봇을 이용한 3D 프린팅 공정으로 복합소재의 힘을 결합하고 있습니다."라고 컨티뉴어스 컴포지츠 CEO 타일러 알바라도(Tyler Alvarado)는 말한다. 회사는 연속 섬유 3D 프린팅을 CF3D로 상표 등록했다. "CF3D는 헤드 내에서 섬유를 함침시키고 소재 증착 직후 즉시 경화합니다."라고 그는 설명한다. "2D 슬라이스 방식에 국한되지 않으므로 복합소재의 이방성 특성을 최대한 활용해 모든 방향으로 섬유를 이산적으로 배향할 수 있습니다."

알바라도는 고객 애플리케이션별로 열경화성 수지를 튜닝할 수 있다고 덧붙인다. 예를 들어 탄성률을 높이거나, 인성을 높이거나, 내화 특성을 부여할 수 있다. CF3D는 열가소성 수지 프린팅에도 적합하며, 컨티뉴어스 컴포지츠는 동일 구조물 내 열경화성과 열가소성 소재 동시 프린팅을 시연했다.

"50~60% 섬유 부피율을 달성합니다."라고 알바라도는 말한다. 가변 압착 기능이 프린트 헤드에 통합됐다. "자유 공간에서 구조물을 프린팅할 때는 툴에 대고 압착하지 않으므로 통합 방식이 다릅니다. 구조물의 첫 경로는 무지지 상태이므로 압착할 대상이 없어 적은 압력이 필요합니다. 하지만 후속 레이어에는 압착을 위한 압력을 가할 수 있습니다."

2016~2017년 컨티뉴어스 컴포지츠는 향상된 모션 제어와 빌드 볼륨을 가진 로봇 제조 셀을 구축했다. 모든 3D 프린팅과 마찬가지로 소프트웨어가 기계 이동 코드를 생성한다. 하지만 CF3D에서 툴 경로 생성이 크게 다르기 때문에 자체 소프트웨어를 개발 중이다. "기성 솔루션은 연속 섬유 툴 경로 생성에 맞지 않습니다. 더 이상 2D 슬라이스 적층에 제한되지 않기 때문입니다."라고 알바라도는 설명한다. CF3D 소프트웨어는 수지 경화용 UV 라이트 자동화, 필요시 프린트 필라멘트 절단, 압착 압력 제어도 자동화한다.

"우리가 개발한 새 프린트 헤드는 훨씬 더 능동적입니다."라고 알바라도는 말한다. "새 엔드 이펙터에 적응형 텐셔닝과 수지 공급 동적 제어 기능이 있습니다."

알바라도에 따르면 CF3D는 12K 카본 토우와 에폭시 수지로 16 토우 폭까지 프린팅 가능하다. 1% 미만 공극률의 3레이어 두께 샘플을 제작했으며 평균 인장 강도 111 ksi를 기록했다. 이 기계적 테스트는 2017년 미국 국방부 계약사 프로젝트 일환으로 수행됐다. "지속적으로 개선해 곧 200 ksi를 넘길 것으로 기대합니다."라고 알바라도는 단언한다. "항공우주 인테리어 애플리케이션을 위한 화재, 연기, 독성(FST) 테스트도 완료했습니다."

센싱 구조물

CF3D 기술은 다기능 복합 구조물 프린팅을 가능케 한다. 예: 연속 구리 와이어로 전자장치 전원 공급, 연속 니크롬 와이어로 결빙 방지용 열 임베딩, 연속 광섬유로 복합 구조물의 실시간 구조 건강 모니터링(SHM) 및 성능 최적화.

컨티뉴어스 컴포지츠가 2017년 프린팅한 위 데모 에어포일은 다음을 포함한다:

• 연속 유리섬유 지지 트러스, 에어포일 상단에서 하단까지 무지지 프린팅
• 연속 구리 와이어로 전방 가장자리 LED 조명 전원 공급
• 전방 가장자리 결빙 방지용 니크롬 와이어
• 상단 스킨의 광섬유로 데이터 수집 가능

2017년 11월 컨티뉴어스 컴포지츠, 폼 포지(Form Forge, 미국 오리건주 포틀랜드), 오토데스크가 리브레아 요트(이탈리아 팔레르모)와 함께 오토데스크 유니버시티 연례 컨퍼런스 '메이킹 웨이브스(Making Waves)' 전시의 일환으로 센싱 복합소재 러더를 제작했다.

러더는 약 4.5피트 높이로, 쉘/스킨용 20% 초프드 카본 파이버 강화 ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌) 열가소성 수지, 구조 트러스 지지대용 연속 유리섬유로 프린팅됐다. 팀은 고급 광섬유도 러더에 프린팅했다.