복합재 3D 프린팅: 산업 임팩트를 앞둔 성장 기술

복합재 3D 프린팅은 신흥 분야지만 엄청난 미개척 잠재력을 보유하고 있습니다.

SmarTech Analysis 보고서에 따르면 복합재 3D 프린팅 시장은 향후 10년 내 약 100억 달러에 달할 전망으로, 상당한 성장 기회입니다.

이 글에서는 복합재 3D 프린팅을 추진하는 이점, 시장 대응 기술, 실제 적용 사례를 살펴봅니다.

복합재란 무엇인가?

복합재는 핵심 폴리머 매트릭스에 절삭 또는 연속 섬유 같은 보강재를 결합한 것입니다. 결과 소재는 비보강 폴리머 대비 우수한 강도와 강성을 제공하며, 많은 경우 알루미늄 같은 금속을 대체할 수 있습니다.

이러한 향상된 물성은 툴링과 최종 사용 부품에 복합재를 항공우주, 자동차, 산업재, 오일·가스 분야에서 크게 선호하게 만듭니다.

복합재 3D 프린팅의 이점

전통적 복합재 제조는 수작업 레이업, 고가 경화 장비, 몰드 툴링을 필요로 해 공정이 노동 집약적, 자본 집약적, 확장이 어렵습니다. 3D 프린팅은 최소한의 수작업(후처리만 필요)으로 소프트웨어가 주도하는 전체 워크플로를 자동화합니다.

주요 이점으로는 소재 폐기물 감소, 빠른 턴어라운드, 기존 방식으로는 불가능한 복잡한 형상 구현이 있습니다.

연속 섬유 vs 절삭 섬유

3D 프린팅에는 두 가지 섬유 보강 유형이 쓰입니다. 1mm 미만의 짧은 가닥인 절삭 섬유(폴리머에 혼합)와 PLA, ABS, 나일론, PETG, PEEK 같은 열가소성 수지와 통합되는 긴 가닥인 연속 섬유입니다. 연속 섬유 부품은 경량이면서 금속에 필적하는 강도를 가집니다.

탄소 섬유가 가장 인기 있는 보강재이며, 그다음으로 유리 섬유와 케블라가 뒤를 이읍니다.

시장에 출시된 복합재 3D 프린팅 기술

2020년 기준 시장은 여전히 태동기로, 열가소성 필라멘트를 압출하는 FFF(융합 필라멘트 적층) 시스템이 주를 이룹니다. FFF는 경화 강철 노즐로 절삭 섬유 필라멘트를 처리하며, 연속 섬유 프린팅에는 중단 없는 가닥을 증착하는 두 번째 노즐이 필요합니다.

Markforged: 연속 섬유 프린팅의 개척자

Markforged는 2014년 Mark One으로 연속 섬유 3D 프린팅을 도입했습니다. 플라스틱 필라멘트용 노즐 하나와 탄소 섬유 가닥용 노즐 하나, 이렇게 듀얼 노즐을 사용합니다. 신형 모델이 Mark One을 계승했지만 핵심 기술은 동일합니다.

오늘날 Markforged는 기능 시제품 제작과 최종 사용 부품 및 툴링 제조에 뛰어난 데스크톱부터 산업용까지 다양한 프린터 라인업을 제공합니다.

Desktop Metal의 마이크로 자동 섬유 배치(μAFP) 기술

Desktop Metal은 FFF 전문성을 복합재로 확장해 2019년 11월 Fiber 3D 프린터를 출시했습니다. 자동 섬유 배치(AFP)와 FFF를 결합한 Fiber 시스템은 나일론, PEEK, PEKK, 유리 섬유 강화 나일론에 연속 섬유를 내장합니다.

μAFP 접근법은 수작업 레이업 의존도를 낮춰 인건비를 절감하고 지그, 고정구, 경량 레이싱 부품 같은 소형 복합재 부품 생산을 가속화합니다.

Anisoprint의 복합재 파이버 공압출(CFC) 기술

러시아-룩셈부르크 스타트업 Anisoprint가 복합재 파이버 공압출(CFC)을 도입했습니다. 프린팅 중 사전 라미네이션 없이 플라스틱을 연속 섬유로 직접 보강하는 압출 기반 공정입니다. 사용자는 PETG, ABS, PC, PLA, 나일론 중 선택하고 복합재 인필 밀도를 조절할 수 있습니다.

Anisoprint의 데스크톱 Composer 3D 프린터에 이어 산업용 ProM IS 500이 출시되었으며, 4개의 교체 가능한 프린트 헤드로 다중 소재 및 다중 복합재 부품 제작이 가능합니다.

복합재 3D 프린팅과 로보틱스의 만남

로보틱스와 복합재 프린팅 통합은 빌드 엔벨로프 유연성과 형상 복잡성을 높입니다. 예를 들어 Arevo는 레이저로 예비 함침된 연속 탄소 섬유를 가열하고 롤러로 압축하는 레이저 기반 증착 방식을 쓰는데, 이는 금속 프린팅의 직접 에너지 증착(DED)과 유사합니다.

증착 헤드가 다축 로봇 팔에 장착되어 어느 방향으로든 층 증착이 가능하며, 기존 레이어 기반 프린터의 전형적인 Z방향 약점을 해소합니다.

Continuous Composites

미국 Continuous Composites는 7축 로봇으로 건조 탄소 섬유를 프린트헤드에 공급해 급속 경화 광중합 레진으로 함침시키고, 공중에서 경화시켜 서포트 없는 빌드를 구현합니다.

Fortify: 복합재용 디지털 라이트 프로세싱

Fortify의 디지털 복합재 제조(DCM) 기술은 디지털 라이트 프로세싱(DLP)을 복합재 부품에 적용합니다. 자기장으로 광감성 레진 내 절삭 탄소 섬유를 정렬해 3차원적으로 제어된 강도, 강성, 열전도율을 갖춘 고해상도 복합재를 생산합니다.

Fortify는 툴링에 집중하며, 1,000만 달러 시리즈 A 펀딩 후 Royal DSM, Henkel과 파트너십을 맺었습니다. 상용화는 내년 예정입니다.

Impossible Objects와 복합재 기반 적층 제조(CBAM)

Impossible Objects는 CBAM을 도입했습니다. 탄소 섬유 시트에 액체 바인더를 잉크젯 프린팅하고, 프린팅된 영역에만 폴리머 파우더가 부착되게 덮습니다. 반복 적층 후 스택을 압축 가열해 파우더를 융합, 보강 복합재로 만듭니다.

2019년 출시된 CBAM-2 프린터는 12인치 × 12인치 시트(약 30cm × 30cm) 처리 가능하며 현재 PEEK, 나일론 12, 장섬유 탄소·유리 지원, 추가 소재 개발 중입니다.

복합재 3D 프린팅의 응용

복합재 3D 프린팅은 여러 분야에서 시제품, 툴링, 최종 사용 부품을 아우릅니다.

항공우주용 대형 블레이드 툴링

Bell Helicopters가 Thermwood의 LSAM(대면적 적층 제조) 시스템과 협업해 헬기 블레이드 몰딩용 6m 복합재 툴을 제작했습니다. LSAM의 하이브리드 적층-절삭 접근법으로 엄격한 공차와 오토클레이브 대응 성능을 갖춰 툴 제조 시간을 수개월에서 수일로 단축했습니다.

복합재 리프팅 툴

Wärtsilä가 무거운 강철 리프팅 툴을 Markforged X7로 프린트한 탄소 강화 폴리머 툴로 교체했습니다. 75% 경량화로 960kg을 들어올리며, 툴링 비용 10만 유로를 절감했습니다.

탄소 섬유 자전거 프레임

Arevo의 로봇 프린팅 공정은 기존 필라멘트 프린팅의 이방성 문제를 해결해 3차원 균일 강도의 자전거 프레임을 만듭니다. 프레임 비용 약 $300으로, 기존 탄소 프레임($1,000~$2,000)보다 훨씬 저렴합니다.

복합재 3D 프린팅: 제조의 한계 돌파

아직 젊은 기술이지만 복합재 3D 프린팅은 제조 현장에서 입지를 넓히며, 복잡한 복합재 부품의 더 빠르고 자동화된 생산을 제공합니다. 설계자가 금속을 고성능·비용 효율적 복합재로 대체해 소재·인건비를 줄이면서 강도와 내구성을 유지할 수 있게 합니다.

이러한 이점은 복합재 3D 프린팅이 현대 복합재 제조사의 표준 도구로 자리잡을 것임을 시사합니다.