고성능 탄소 섬유 부품 제조 단계별 가이드

탄소 섬유 강화 플라스틱과 같은 복합 소재는 항공우주부터 의료까지 다양한 시장에서 혁신을 주도하는 다재다능하고 효율적인 소재입니다. 강철, 알루미늄, 목재, 플라스틱 등 전통 소재를 능가하며 고성능 경량 제품 제작을 가능하게 합니다.

이 가이드에서는 탄소 섬유 부품 제조의 기초, 다양한 탄소 섬유 적층, 라미네이팅, 성형 방법, 그리고 3D 프린팅을 활용한 탄소 섬유 몰드 제작으로 비용 절감과 시간 단축을 이루는 방법을 다룹니다. 직접 3D 프린팅된 복합 소재도 존재하는데, Formlabs Nylon 11 CF Powder는 탄소 섬유가 충전된 소재로 우수한 강성과 강도가 모두 요구되는 용도에 적합합니다. Formlabs Fuse 1+ 30W 프린터로 출력 시 가볍고 강성이 높은 부품을 생산하며 구조적·열적으로 안정적이고 반복 충격을 견딜 수 있습니다.

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복합 소재는 서로 다른 특성을 가진 두 가지 이상의 구성 요소가 결합되어 개별 구성 요소만으로는 얻을 수 없는 특성을 나타냅니다. 일반적으로 강도, 효율성, 내구성 등 엔지니어링 특성이 향상됩니다. 복합 소재는 보강재(섬유 또는 입자)가 매트릭스(폴리머, 금속, 세라믹)에 의해 결합된 형태입니다.

섬유 강화 폴리머(FRP)가 시장을 주도하며 다양한 산업에서 새로운 응용 분야의 성장을 견인해 왔습니다. 그중 탄소 섬유는 항공기, 레이싱카, 자전거 등에 널리 사용되는데, 알루미늄보다 3배 이상 강하고 단단하면서도 40% 더 가볍기 때문입니다. 탄소 섬유는 에폭시 수지와 결합된 강화 탄소 섬유로 형성됩니다.

섬유는 단방향 직조로 방향성을 갖춰 특정 벡터 방향의 강도를 만들 수 있습니다. 교직 직물은 여러 벡터 방향의 강도를 만들며 복합 부품 특유의 퀼트 무늬를 만듭니다. 보통 두 방식을 조합해 부품을 제작합니다. 주요 섬유 유형은 다음과 같습니다.

수지는 섬유를 결합해 강성 복합체를 만듭니다. 수백 가지 수지가 사용되지만 가장 대중적인 수지는 다음과 같습니다.

탄소 섬유 부품과 같은 섬유 강화 폴리머 제조는 단품 생산과 배치 생산 모두에서 숙련된 기술과 노동 집약적인 공정이 필요합니다. 부품 크기와 복잡도에 따라 사이클 타임은 1시간에서 150시간까지 다양합니다. 일반적인 FRP 제조에서는 연속 직선 섬유가 매트릭스에 결합되어 개별 플라이를 형성하고, 이를 최종 부품에 층층이 라미네이팅합니다.

복합 소재의 물성은 소재 자체만큼 라미네이팅 공정에 의해 좌우됩니다. 섬유를 어떻게 결합하느냐가 부품 성능을 크게 결정합니다. 열경화성 수지는 보강재와 함께 툴이나 몰드에서 성형·경화되어 견고한 제품이 됩니다. 다양한 라미네이팅 기법이 있으며 크게 세 가지로 구분됩니다.

습식 적층(Wet Lay-up)

섬유를 잘라 몰드에 놓고 브러시, 롤러, 스프레이 건으로 수지를 도포하는 방식입니다. 고품질 부품을 만들려면 가장 높은 숙련도가 필요하지만, 시작 비용이 가장 저렴하고 DIY 탄소 섬유 부품 제작에 진입 장벽이 가장 낮습니다. 탄소 섬유 부품 제조가 처음이고 장비가 갖춰지지 않았다면 습식 적층 핸드 라미네이션부터 시작하길 권장합니다.

영상을 통해 습식 탄소 섬유 적층 공정을 확인해 보세요.

프레그 라미네이션(Prepreg Lamination)

수지가 섬유에 미리 함침된 상태입니다. 프레그 시트는 냉장 보관하여 경화를 지연시킵니다. 이후 플라이를 몰드에 놓고 오토클레이브에서 열과 압력으로 경화합니다. 수지 양이 제어되어 더 정밀하고 반복 가능한 공정이지만, 가장 비싸고 주로 고성능 응용 분야에 사용됩니다.

RTM 성형(Resin Transfer Molding)

건식 섬유를 양분 몰드에 넣고 몰드를 닫은 뒤 고압으로 수지를 공동에 주입하는 방식입니다. 주로 자동화되어 대량 생산에 사용됩니다.

몰드 품질이 최종 부품 품질에 직접적인 영향을 미치므로 툴 제작은 FRP 제조의 핵심입니다. 대부분의 몰드는 왁스, 폼, 목재, 플라스틱, 금속 등으로 CNC 가공이나 수작업으로 제작됩니다. 수작업은 노동 집약적이고, CNC 가공도 복잡한 형상에서는 복잡하고 시간 소모적인 워크플로를 따르며, 외주 시 비용이 높고 리드 타임이 깁니다. 두 방식 모두 숙련 인력이 필요하고 설계 변경 및 몰드 수정에 유연하지 못합니다.

적층 제조(3D 프린팅)는 탄소 섬유 부품 제작용 몰드와 패턴을 저비용으로 신속하게 제작하는 솔루션을 제공합니다. 제조 공정에서 폴리머 툴링 사용이 지속적으로 늘고 있습니다. 금속 툴을 자체 출력한 플라스틱 부품으로 대체하면 생산 시간을 단축하고 설계 유연성을 확대하는 강력한 비용 효율적 수단이 됩니다. 엔지니어들은 이미 필라멘트 와인딩이나 자동 섬유 배치 같은 공정을 지원하는 지그와 픽스처용 폴리머 레진 3D 프린팅 부품을 활용하고 있습니다. 마찬가지로 소량 생산용 프린팅 몰드와 다이는 사출 성형, 열성형, 판금 성형에 활용되어 소량 배치를 공급합니다.

자체 데스크톱 3D 프린팅은 최소한의 장비로 워크플로 복잡성을 줄여줍니다. Form 4 같은 전문 데스크톱 레진 프린터는 합리적 가격에 쉽게 도입 가능하며 수요에 따라 빠르게 확장할 수 있습니다. 대형 툴과 몰드 제작은 Form 4L 같은 대형 3D 프린터로도 가능합니다.

광경화성 수지 적층 조형(SLA) 3D 프린팅 기술은 매우 매끄러운 표면 조도를 구현해 탄소 섬유 적층 몰드에 필수적입니다. 높은 정밀도로 복잡한 형상 구현이 가능합니다. 또한 Formlabs 레진 라이브러리에는 몰드와 패턴 제작에 적합한 기계적·열적 특성을 가진 엔지니어링 소재가 갖춰져 있습니다.

탄소 섬유 부품 제조용 3D 프린팅 몰드는 비용 절감과 리드 타임 단축을 가져옵니다.

소량 생산 시 엔지니어는 몰드를 직접 저비용으로 몇 시간 내에 출력할 수 있어 수작업 조각이나 CNC 장비, CAM 소프트웨어, 머신 셋업, 작업 고정, 툴링, 칩 배출 등을 신경 쓰지 않아도 됩니다. 몰드 제작 인력과 리드 타임이 대폭 단축되어 빠른 설계 반복과 부품 맞춤 제작이 가능합니다. 기존 방식으로는 제작하기 어려운 정교한 디테일의 복잡한 몰드 형상도 구현할 수 있습니다.

몰드 구조 및 설계 가이드라인

몰드 설계 시 출력 성공 여부와 성형 성공 여부를 모두 고려해야 합니다. 다양한 몰드 구조가 서로 다른 형상 제작에 사용됩니다.

• 진공 백킹용 단일 몰드: 클래스 A 면(광택 마감)이 한 면만 필요한 부품에 사용. 어느 면이 클래스 A여야 하느냐에 따라 양형 또는 음형이 될 수 있음. 한 면은 몰드 표면, 다른 면은 진공 백 표면이 됨.
• 압축 성형용 양분 몰드: 부품 양면이 모두 클래스 A여야 할 때 사용. 양면이 모두 몰드 표면이 됨.
• 압력 성형용 블래더 몰드: 진공 백이나 압축 몰드로 탈형이 불가능한 복잡한 형상에 사용. 한 면은 몰드 표면, 다른 면은 블래더 표면이 됨.
• 음형 몰드 제작용 몰드 패턴: 여러 몰드가 필요해 생산량을 늘리고 싶을 때 사용. 단일 패턴에서 여러 몰드를 제작할 수 있음.

드래프트 앵글 적용: 2~3도의 양의 드래프트 앵글은 탈형 공정을 용이하게 하고 몰드 수명을 연장하며, 특히 강성 몰드에서 효과적입니다. 하지만 Tough 1500 Resin 같은 유연한 3D 프린팅 소재를 사용하면 드래프트 없이도 강성 몰드에서는 탈형이 어려운 도전적인 형상을 포함할 수 있습니다. 소재 두께에 적합한 최소 반경 설정: 이는 코너에서 섬유가 정렬되도록 돕고 에어 포켓을 방지하며 반복 가능한 품질의 부품을 만듭니다. 가파르고 근접한 코너는 피하고 유선형 형상이 박스형 모서리보다 작업하기 쉽습니다.

소재 두께에 적합한 최소 반경 설정: 이는 코너에서 섬유가 정렬되도록 돕고 에어 포켓을 방지하며 반복 가능한 품질의 부품을 만듭니다. 가파르고 근접한 코너는 피하고 유선형 형상이 박스형 모서리보다 작업하기 쉽습니다.

위치 결정 핀과 인덴트 포함: 정밀한 정렬이 필요한 몰드에 적용. 3D 프린팅의 큰 장점 중 하나는 정렬 형상의 복잡성을 구현할 수 있어 위치 민감한 설계를 제작하기 용이하다는 점입니다.

표면 오버런 포함: 연장된 표면의 여분 소재를 잘라내 정확한 트림 라인을 만듭니다. 3D 프린팅은 플래싱 제작 없이 오버런을 출력할 수 있게 해줍니다.

트림 라인 추가: 3D 프린팅은 드릴 가이드, 핸드 트리밍용 스크라이브 라인, 라우터 가이드 레일 등 정밀한 마감 피처를 통합할 수 있습니다.

기타 모범 사례:

• 가장 작은 레이어 높이로 출력해 해상도와 탈형 단계를 최적화하세요.
• 성형 면에 서포트가 생기지 않게 해 표면 조도를 향상시키세요.
• 이형제 사용: 탈형 공정을 위해 필수입니다.
• 에어 포켓 방지: 교반·혼합 후 2분간 기다려 수지에서 공기가 빠지게 하세요. 첫 수지 층을 브러싱한 후 다시 반복하세요. 미세 기포가 남으면 후처리에서 연마 및 실링으로 제거할 수 있습니다.

사례 연구: TU 베를린 포뮬러 스튜던트 팀

포뮬러 스튜던트는 전 세계 학생 팀이 포뮬러 스타일 경주차를 제작·경주하는 연례 엔지니어링 설계 대회입니다. TU 베를린 포뮬러 스튜던트 팀(FaSTTUBe)은 최대 규모 그룹 중 하나로, 2005년부터 매년 80~90명의 학생이 새로운 경주차를 개발해 왔습니다.

TU 베를린 포뮬러 스튜던트 팀(FaSTTUBe)은 연례 대회용으로 세 대의 차량을 제작하고 있습니다.

거의 모든 제조 기술에 접근 가능한 FaSTTUBe 팀은 3D 프린팅을 세 가지 목적으로 활용합니다.

1. 프로토타입: 안티롤 바 마운트, HV 배터리 스테이크홀더 등 다양한 부품 프로토타입 출력.
2. 탄소 섬유 몰드 3D 프린팅: 팀은 10여 개의 몰드를 출력해 기존 방식으로는 제작 불가능한 탄소 섬유 부품을 제작.
3. 최종 사용 부품: 최종 차량에 약 30개 부품이 직접 3D 프린팅됨: 버튼 홀더, 스티어링 휠 시프터, 냉각 시스템 호스 및 센서 커넥터 등.

이 사례 연구에서는 스티어링 휠 하우징과 그립을 탄소 섬유로 제작하는 몰딩 공정의 세부 사항을 살펴봅니다.

경주차 제작에서 경량화는 필수입니다. 부품을 가볍게 하기 위해 스티어링 휠 그립을 중공으로 출력할 수도 있지만, 드라이버의 악력을 견디기엔 강도가 부족합니다. 탄소 섬유는 강도를 유지하거나 높이면서 무게를 줄이는 훌륭한 소재입니다. 올해 탄소 섬유로 부품을 제작하기 위해 공기역학 및 탄소 제조 책임자인 Felix Hilken은 3D 프린팅 몰드를 활용한 습식 적층 라미네이션 워크플로를 개발했습니다.

필요 장비:

• Formlabs SLA 3D 프린터 + Tough 1500 Resin
• 탄소 섬유: 200g, 3K, 0.3mm, 트윌 직물 3겹
• 이형제: 왁스 및 폴리비닐 알코올
• 고강도 에폭시 수지
• 브러시와 가위
• 진공 백, 진공 펌프, 브리더 천
• 사포

그립은 탈형을 위해 두 반쪽으로 나누어 제작했습니다. 각 반쪽 그립마다 Felix는 3D 프린팅 없이는 제작하기 어려운 피처를 포함한 양분 몰드를 설계했습니다.

• 타이트한 내부 반경, 쓸어내리는 곡면, 가변 반경 곡면 등 미세 피처
• 알루미늄 몰드에서는 탈형 불가능한 둥근 타이트 에지
• 부품이 위치에 민감하므로 드릴 위치 결정을 위한 인덴트

팀은 Form 시리즈 프린터로 Tough 1500 Resin을 사용해 50미크론 레이어 높이로 몰드를 출력했습니다. 출력물은 IPA에서 10분씩 두 번 세척하고 70°C에서 60분간 후경화했습니다. Tough 1500 Resin은 신율과 탄성률의 균형을 잡아 출력된 부품이 크게 휘어졌다가도 빠르게 원상 복구됩니다. 이는 탈형 시 몰드 파손을 방지하는 원하는 기계적 특성입니다.

탈형 공정을 용이하게 하기 위해 이형제를 도포합니다. 이는 중요한 첫 단계로, 일부 면이 코팅되지 않으면 부품이 몰드에서 분리되지 않습니다.

1. 왁스 코팅 (선택 사항이나 권장)
2. 폴리비닐 알코올(PVA) 코팅

수지와 경화제를 혼합합니다. 혼합 비율을 정확히 준수해야 합니다. 목표 비율에서 몇 퍼센트만 벗어나도 부품이 너무 부드럽거나 부분적으로만 경화됩니다. 수지 제조사의 지침을 철저히 따르고 사용 전 안전 데이터시트를 읽으세요. Felix가 사용한 수지는 혼합 후 2시간 뒤 중합이 시작되어 적층 작업에 2시간의 여유가 있습니다.

몰드의 양면(포지티브 측)에 브러시로 수지를 도포합니다.

몰드의 포지티브 측에 탄소 섬유 플라이를 적층합니다. 모든 윤곽을 잘 따라가도록 하세요. 팀은 직물 두께와 가격의 균형을 위해 3K 섬유를 사용했습니다. 이는 복잡한 윤곽을 잘 따르도록 설계되었으며 지지 스트랜드가 없습니다.

탄소 플라이 위에 수지를 도포하고 적층 공정을 반복합니다. 수지가 층을 결합해 부품의 매트릭스 성분을 형성하고 섬유 재정렬을 방지합니다. Felix는 탄소 섬유 플라이 3장을 사용했습니다.

몰드의 네거티브 부분에 마지막 수지 층을 도포하고 양쪽 몰드 반쪽을 눌러 결합해 기포가 형성되어 섬유 사이로 스며드는 것을 방지합니다.

가위로 여분 소재를 잘라냅니다.

진공 백에서 48시간 경화합니다. 이 중합 과정에서 진공 백이 공기를 빼내고 플라이를 몰드에 눌러 실온에서 여분 수지를 제거합니다. 원하는 체적 수지-섬유 비율을 보장해 적절한 부품 강성을 맞춥니다.

마무리: 모든 에지를 샌딩합니다. 공정 후 몰드 세척을 위해 Felix는 약 30분간 물에 담가 PVA를 녹이고 1500방 사포로 남은 수지를 제거했습니다.

탄소 섬유 사용으로 스티어링 휠 하우징 무게를 120g에서 21g으로 줄였고, 기존 방식으로는 제작이 극히 어려운 형상까지 설계할 수 있었습니다. "3D 프린팅의 장점은 복잡한 형상도 단순한 형상만큼 쉽게 제조할 수 있다는 점입니다. 동일한 노력과 장비만 있으면 됩니다."라고 Felix는 말합니다.

3D 프린팅 없이 팀은 알루미늄 몰드 CNC 가공을 외주 맡아야 했을 것입니다. 비용이 많이 들고 리드 타임이 길며 특수 공구가 필요합니다. "CNC로 몰드를 가공하려면 특수 공구가 필요하고 머신 슬롯을 기다려야 합니다. 하지만 이 형상조차 가공할 수 없습니다. 특히 작은 코너들. 나사가 없는 설계를 써야 해 부품이 위치에 민감하지 않게 만들어야 했겠죠."

Felix 추산에 따르면 Formlabs Tough 1500 Resin으로 출력한 몰드 하나로 약 10개 부품 제작이 가능합니다. 수작업 공정이라 작업자의 꼼꼼함에 따라 달라지며, 분리 과정에서 몰드가 파손될 수 있습니다. 하지만 여러 3D 프린팅 몰드를 사용해 생산량을 늘릴 수 있습니다. 몰드 수명을 연장하는 또 다른 방법은 금속 범용 몰드로 지지하는 것입니다. 3D 프린팅 인서트가 형상을 담당하고 백업 금속 몰드가 형태를 유지해 줍니다. 이는 단순한 수동 밀링 머신으로도 제작 가능합니다.

DeltaWing Manufacturing 사례: Panoz 카본 파이버 펜더 에어 덕트

DeltaWing Manufacturing은 미국산 럭셔리 스포츠카 제조사 Panoz의 복합 부품을 생산합니다. 탄소 섬유 부품 제작을 위해 기존에는 패턴을 가공하고 그 위에 라미네이팅이나 주조로 몰드를 만든 뒤 마감하고 프레그 공정으로 탄소 섬유 부품을 라미네이팅했습니다.

최근 몇 년간 이 과정의 중간 단계로 자체 3D 프린팅 부품을 활용하기 시작했습니다. Panoz는 맞춤형 레이싱카용 탄소 섬유 펜더 에어 덕트 6개가 필요했습니다. 전통적인 몰드 제작 방식의 인력과 리드 타임을 줄이기 위해 DeltaWing 엔지니어들은 몰드를 직접 3D 프린팅해 프레그 공정에 적용하기로 했습니다.

필요 장비:

• Formlabs SLA 3D 프린터 + High Temp Resin
• 탄소 섬유: 4K, 양방향 패턴
• 이형제: 폴리비닐 알코올
• Kapton(폴리이미드) 테이프
• 고강도 에폭시 수지
• 브러시와 가위
• 진공 백, 진공 펌프

덕트는 최종 부품의 몰드 분리를 용이하게 하기 위해 두 개의 별도 몰드에서 두 조각으로 제작된 뒤 접합되었습니다. 각 몰드도 두 조각으로 출력 후 조립해 Form 시리즈 프린터의 빌드 볼륨에 맞췄습니다. 다만 Form 4L의 더 큰 빌드 볼륨이라면 이 과정이 불필요합니다. 부품은 몰드 설계 권장 사항을 따라 적층 제조용으로 설계되었습니다.

DeltaWing은 Form 시리즈 프린터에서 100미크론 레이어 높이로 High Temp Resin을 사용해 몰드를 출력했습니다. 이 레진은 Formlabs 레진 중 가장 높은 238°C @ 0.45 MPa의 열변형 온도(HDT)를 가지며 시중 레진 중에서도 최고 수준입니다.

High Temp Resin은 높은 경화 온도를 견디고, 공정 중 형상 유지를 위한 우수한 강성, 최종 부품에 전사되는 뛰어난 디테일을 보여줍니다. Formlabs는 High Temp Resin 출력물을 IPA로 10분 세척, 80°C에서 120분 후경화, 이후 160°C에서 3시간 가열해 더 높은 HDT를 얻도록 권장합니다.

DeltaWing Manufacturing은 프레그 4K 양방향 패턴 섬유를 사용해 출력된 몰드에 통상적인 프레그 공정을 적용했습니다. 각 몰드는 매 성형마다 표면을 갱신하기 위해 Kapton 테이프로 덮었습니다. 섬유를 몰드에 적층한 뒤 진공 백에 넣고 오토클레이브에서 경화한 후 탈형 및 트리밍했습니다. 출력된 몰드는 38°C(100°F)에서 10시간 느린 경화, 또는 126°C(260°F)에서 1시간 빠른 경화 모두 손상 없이 견뎠습니다. 탄소 덕트 양쪽 반쪽은 최종 단계에서 접합되었습니다.

팀은 한 몰드로 6회 반복 테스트했고 유의미한 열화는 관찰되지 않았습니다. 약 10~15회 반복이 가능할 것으로 추정됩니다. 프레그 공정에서 오토클레이브로 열과 압력을 가해 경화하기 때문에 프린팅 몰드는 몇 회 반복만 견딜 수 있습니다. 따라서 대량 생산에는 권장되지 않지만, 소량 배치와 다품종 맞춤 생산에는 훌륭한 방식입니다. 이는 고성능 스포츠 장비, 항공우주 맞춤 툴링, 환자 맞춤형 의료 보철물 등 다양한 응용을 가능하게 합니다.

직접 3D 프린팅 복합 소재: Formlabs Nylon 11 CF Powder

전통적인 탄소 섬유 부품의 강도, 내구성, 강인함과 3D 프린팅의 민첩성, 기하학적 가능성, 반복성을 결합한 워크플로에 대한 수요가 높습니다. 현재 탄소 섬유 3D 프린팅을 제공하는 기업이 많은데, 크게 절단 섬유 방식과 연속 섬유 방식 두 가지 공정이 있습니다.

절단 탄소 섬유를 사용하는 Nylon 11 CF Powder는 Fuse 1+ 30W 선택적 레이저 소결(SLS) 산업용 3D 프린터용 소재로, 기존 적층이나 가공 방식에 의존하지 않고 강하고 가볍고 내열성 있는 부품을 제작할 수 있게 해줍니다.

Formlabs Nylon 11 CF Powder는 강하고 가볍고 내열성이 있어 자동차, 항공우주, 제조 분야에 이상적입니다.

섬유 강화 폴리머 제조는 흥미롭지만 복잡하고 노동 집약적인 공정입니다. 3D 프린팅 몰드와 패턴을 활용해 탄소 섬유 부품을 제작하면 워크플로 복잡성을 줄이고 유연성 및 설계 기회를 확대하며 비용과 리드 타임을 절감할 수 있습니다.

탄소 섬유의 이점을 많이 누리면서 기하학적 유연성과 더 단순하고 효율적인 공정이라는 추가 이점을 가진 직접 3D 프린팅 부품으로는 Formlabs Fuse 시리즈 SLS 3D 프린터용 Nylon 11 CF Powder 같은 소재가 있습니다.

탄소 섬유 부품에 3D 프린팅을 활용하는 최적의 접근법을 논의하고 싶다면 우리 팀에 문의하세요.