Kevlar®와 탄소섬유 모두 소재 탐구와 혁신을 보여주는 흥미로운 역사를 가집니다. Markforged에서는 소재와 그 조합을 탐구해 새로운 잠재력을 열고 적층 제조 산업의 혁신 개발을 주도합니다. 우리는 특허받은 CFF(Continuous Filament Fabrication) 공정으로 연속 섬유 스트랜드를 3D 프린팅하는 선두주자입니다. 이 공정은 FFF Onyx 부품 내에 연속 섬유 스트랜드를 적층해 플라스틱 부품을 금속급 강도로 효과적으로 보강합니다. 이는 부품 내구성과 수명을 비약적으로 늘리고, 강도가 가장 필요한 곳에 섬유를 추가해 부품 강도 프로필을 최적화합니다.
Kevlar에 대한 이해를 더 깊게 해보겠습니다.
Kevlar 하면 무엇이 떠오르나요? 대부분 방탄 조끼를 떠올립니다. DuPont™를 떠올리진 않을 수 있지만, 이 소재는 1964년 폴란드계 미국 화학자 Stephanie Kwolek이 DuPont™에서 개발했습니다.
Kevlar가 다양한 산업에서 수많은 용도를 가진다는 걸 아시나요? 일상 적용 사례:
Kevlar는 내열성 아라미드 섬유 그룹에 속하는 합성 섬유입니다. Kevlar와 Nomex가 이 그룹에 속합니다. 합성 섬유는 생물 유래 천연 섬유와 달리 화학 합성으로 만들어집니다. 방사구를 통해 섬유 형성 물질을 압출해 섬유를 만듭니다.
고탄성률 Kevlar는 주로 광섬유 케이블, 섬유 가공, 로프, 케이블, 플라스틱 보강, 항공우주·자동차·방위·에너지·소비자·전자·의료·중공업 등 복합소재 용도에 쓰입니다. 미 해군 시설 공병사령부가 해양 공학·건설용 Kevlar 로프 역량을 탐구해 Kevla의 놀라운 인장 강도와 부력으로 혁신적 설계와 적용을 이끌어냈습니다. Kevlar 섬유는 탄소섬유와 맞먹는 인장 강도, 유리섬유와 탄소섬유 사이의 탄성률, 둘보다 낮은 밀도를 가집니다.
Kevlar 아라미드는 경량, 고강도·고강성, 손상 저항, 피로·응력 파열 저항이 중요한 고성능 복합소재 용도에 쓰입니다. Markforged는 Onyx, Onyx FR, 심지어 Nylon White를 Kevlar로 보강하면 엔지니어와 부품 설계자가 극도로 다재다능한 부품을 만들 수 있음을 발견했습니다. Kevlar는 -196°C(320°F) 저온 환경에서도 큰 변화 없이 취성화나 열화 없이 견디며, 전자 방사선에도 해를 입지 않습니다. 다만 자외선(UV)에는 민감합니다.
설계자는 CFF(Continuous Filament Fabrication) 공정으로 부품을 설계해 Kevla의 인장 강도(신장/인장)가 강철 와이어의 8배 이상임을 활용할 수 있습니다.
CFF 보강으로 어떤 설계자든 금속 강도의 복합소재 부품을 만들고, 부품 내구성(수명)을 늘리며, 강도가 가장 필요한 곳에 최적화할 수 있습니다. Kevlar는 매우 긴 소성 변형 범위를 가지며 파단 시 한 가닥씩 끊어지며 스냅하지 않고 구부러지거나 쓰러집니다. 탄소섬유 같은 다른 섬유보다 훨씬 예측 가능하고 관대한 파단 모드를 가집니다.
Kevlar 섬유 고유 특성:
충격 저항
Kevlar는 ABS보다 8배 높은 충격 저항을 가지면서 다른 보강 섬유보다 15~20% 더 가볍습니다.
굴곡 강도
3점 굽힘에서 3D 프린팅 Kevlar는 ABS보다 3배, 나일론보다 6배 강합니다.
굴곡 강성
3D 프린팅 Kevlar는 ABS보다 12배, 나일론보다 30배 더 강성합니다.
Kevlar는 뛰어난 내구성으로 반복적·돌발적 하중을 겪는 부품에 최적입니다. 유리섬유만큼 강하면서 훨씬 더 연성이 있어 적층 제조에 맞춘 다양한 용도에 쓸 수 있습니다:
Dixon Valve 그리퍼는 Onyx에 Kevlar 보강으로 프린트됩니다. 소재는 클램핑 힘 전달에 충분히 강해야 하고, 반복 하중 사이클에 견뎌야 하며, 밸브에 마킹이 없어야 합니다(비마킹).
3D 프린팅 복합소재는 플라스틱 매트릭스(부품 부피 대부분을 차지하는 지지 구조)의 압축 강도와 내장 섬유의 인장 강도를 활용합니다. 두 소재는 상호 의존적: 섬유 없으면 플라스틱 부품은 압출 스트랜드 간 부착 강도만 가집니다. 매트릭스 없으면 섬유는 구조가 없어 형상 유지 불가. 매트릭스가 공간을 만들어 섬유가 하중에 대항해 안정화할 레버 암을 제공합니다. 결합 시 압축과 인장 모두에서 단독 소재보다 강한 시너지 복합소재가 됩니다. 이는 Kevlar, 탄소섬유, 유리섬유, HSHT 유리섬유 모두 해당합니다.
이제 탄소섬유 이해를 더 깊게 해보겠습니다.
탄소섬유 필라멘트는 결정 구조로 조직된 탄소 원자로 구성됩니다. 매우 높은 강성과 강도로 항공우주·자동차 산업에 널리 쓰입니다. 강철과 티타늄을 능가하는 존재하는 가장 높은 강도-중량 비율 중 하나입니다.
강도-중량 비율
6061 알루미늄 대비 3D 프린팅 탄소섬유는 굴곡에서 50% 높고 인장에서 300% 높은 강도-중량 비율을 가집니다.
굴곡 강도
3점 굽힘에서 우리 3D 프린팅 탄소섬유는 ABS보다 8배 강하고 알루미늄 항복 강도보다 20% 강합니다.
굴곡 강성
3D 프린팅 탄소섬유 필라멘트는 ABS보다 25배, 다른 Markforged 보강 섬유보다 2배 더 강성합니다.
탄소섬유 소재 특성:
탄소섬유의 놀라운 특성으로 중량 절감이 중요한 용도에서 금속 대체재로 쓸 수 있습니다. 모든 산업이 이제 Markforged CFF로 탄소섬유를 활용해 믿을 수 없이 강한 부품을 프린트할 수 있습니다. 생성적 설계도 Markforged CFF와 결합하면 설계·강도 관점에서 모두 최적화된 최선의 설계를 여러 후보 중 선택할 수 있게 합니다.
탄소섬유 적용 분야: 항공우주, 자동차, 건축·건설, 소비재, 의료, 에너지, 방위, 전자, 산업 기계 등 적층 제조 맞춤형으로 끝이 없습니다. 몇 가지 예:
Haddington Dynamics 사례를 보세요. 연속 탄소섬유 필라멘트로 보강된 3D 프린팅 로봇 팔, 50미크론 정밀도를 위해 충분히 강성하고 경량입니다. 탄소섬유 3D 프린터로 부품 수를 800개에서 70개 미만으로 줄였습니다.
귀사 애플리케이션에 가장 적합한 보강 섬유 선택에 대한 추가 도움이나 조언이 필요하면 연락주세요. Kevlar나 탄소섬유 샘플을 오늘 요청하세요.
참고 문헌:
3D 프린팅
강의 화학 성분에 따라 탄소강과 합금강 두 범주로 나눌 수 있습니다. 탄소강은 다음과 같이 나뉩니다: 저탄소강: 탄소 함량 0.25% 미만 중탄소강: 탄소 함량 0.25%~0.6% 고탄소강: 탄소 함량 0.6% 초과 연강(Mild steel)은 탄소 함량 0.25% 미만 탄소강입니다. 강도와 경도가 낮고 부드러워 연강이라고도 부릅니다. 대부분 일반 탄소 구조용 강과 일부 고품질 탄소 구조용 강이 포함되며, 대부분 열처리 없이 공학 구조용 부품으로 사용되고, 일부는 침탄 등 열처리 후 내마모성 요구 기계 부품으로 사용됩니다.
자부심을 가진 용접사라면 용접 불연속(Discontinuity)과 결함(Defect) 관리는 최우선 과제입니다. 두 용어는 비슷해 보여도 의미가 명확히 다릅니다. 용접 불연속(Discontinuity) 기계적·물리적·야금학적 조화가 결여된 상태를 말합니다. 주요 유형: 기공(Porosity) 분포 불균일 불완전 용입/융합 비승인 비드 형상 미세 크랙·열열 용접 결함(Defect) 불연속 중에서도 구조적 건전성을 해치거나 품질 기준 미달로 판정된 경우입니다. 결함 제품은 사용 위험성이 있거나 불합격품입니다. 불연속이 결함인지 여부
