탄소섬유 강화 플라스틱과 같은 복합재료는 다용도성이 뛰어나고 효율적인 재료로, 항공우주부터 의료까지 다양한 시장에서 혁신을 주도하고 있습니다. 강철, 알루미늄, 목재, 플라스틱 등 기존 소재보다 성능이 뛰어나며 고성능 경량 제품 제작이 가능합니다.
이 가이드에서는 다양한 탄소 섬유 레이업, 라미네이션 및 성형 방법을 포함한 탄소 섬유 부품 제조의 기본 사항과 3D 프린팅을 사용하여 탄소 섬유 몰드를 제작하여 비용을 낮추고 시간을 절약하는 방법을 알아봅니다. 우수한 강성과 강도를 모두 요구하는 응용 분야에 적합한 탄소 섬유 충전 소재인 Formlabs 나일론 11 CF 파우더와 같이 직접 3D 프린팅된 복합재도 존재합니다. Formlabs Fuse 1+ 30W 프린터로 인쇄하면 나일론 11 CF 파우더는 구조적으로나 열적으로 안정적이며 반복적인 충격을 견딜 수 있는 가볍고 견고한 부품을 생산합니다.
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복합재료는 개별 구성요소 자체와는 다른 특성을 갖는 두 개 이상의 구성요소가 결합된 것입니다. 추가된 강도, 효율성 또는 내구성과 같은 엔지니어링 특성은 일반적으로 향상됩니다. 복합재는 매트릭스(폴리머, 금속 또는 세라믹)로 결합된 강화재(섬유 또는 입자)로 만들어집니다.
섬유 강화 폴리머(FRP)는 시장을 지배하고 있으며 다양한 산업 분야에서 새로운 응용 분야의 성장을 촉진해 왔습니다. 그 중 탄소섬유는 알루미늄보다 3배 이상 강하고 견고하면서도 40% 더 가볍기 때문에 특히 항공기, 경주용 자동차, 자전거 등에 널리 사용되는 복합재이다. 강화된 탄소섬유를 에폭시 수지와 연결해 만들어졌습니다.
섬유는 방향적으로 단일 직조되고 전략적으로 정렬되어 벡터에 상대적인 강도를 생성할 수 있습니다. 교차 직조 섬유는 여러 벡터에서 강도를 생성하는 데 사용할 수 있으며 복합 부품의 시그니처 퀼팅 모양을 담당합니다. 두 가지를 조합하여 부품을 생산하는 것이 일반적입니다. 다음을 포함하여 여러 유형의 섬유를 사용할 수 있습니다.
수지는 이러한 섬유를 함께 묶어 견고한 복합재를 만드는 데 사용됩니다. 수백 가지 유형의 수지를 사용할 수 있지만 가장 인기 있는 유형은 다음과 같습니다.
탄소 섬유 부품과 같은 섬유 강화 폴리머를 제조하는 것은 일회성 생산과 배치 생산 모두에서 사용되는 숙련되고 노동 집약적인 공정입니다. 사이클 시간은 부품의 크기와 복잡성에 따라 1시간에서 150시간까지 다양합니다. 일반적으로 FRP 제조에서는 연속적인 직선 섬유가 매트릭스에 결합되어 개별 겹을 형성하며, 이 겹은 최종 부품에 층별로 적층됩니다.
복합재 특성은 라미네이팅 공정만큼이나 재료에 의해 유도됩니다. 섬유가 통합되는 방식은 부품의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 열경화성 수지는 도구나 주형에서 보강재와 함께 성형되고 경화되어 견고한 제품을 형성합니다. 다양한 라미네이팅 기술을 사용할 수 있으며 세 가지 주요 유형으로 구분할 수 있습니다.
습식 적층에서는 섬유를 절단하여 금형에 넣은 다음 브러시, 롤러 또는 스프레이 건을 통해 수지를 도포합니다. 이 방법은 고품질 부품을 만들기 위해 가장 많은 기술이 필요하지만 DIY 탄소 섬유 부품을 만들기 시작하는 데 필요한 요구 사항이 가장 낮고 비용이 가장 적게 드는 작업 흐름이기도 합니다. 탄소 섬유 부품 제조가 처음이고 아직 장비를 갖추고 있지 않은 경우 습식 레이업 핸드 라미네이션부터 시작하는 것이 좋습니다.
습식 탄소 섬유 적층 공정이 어떻게 작동하는지 알아보려면 동영상을 시청하세요.
프리프레그 라미네이션에서는 수지가 섬유 앞쪽에 주입됩니다. 사전 함침된 시트는 경화를 억제하기 위해 차갑게 보관됩니다. 그런 다음 플라이는 오토클레이브에서 열과 압력을 받아 금형으로 경화됩니다. 이는 수지의 양이 제어되기 때문에 더욱 정확하고 반복 가능한 공정이지만 고성능 응용 분야에 일반적으로 사용되는 가장 비싼 기술이기도 합니다.
RTM 성형을 사용하면 건조 섬유가 두 부분으로 구성된 금형에 삽입됩니다. 고압에서 수지를 캐비티에 밀어넣기 전에 금형을 단단히 닫습니다. 이는 일반적으로 자동화되어 대량 생산에 사용됩니다.
금형의 품질은 최종 부품의 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 도구 제작은 FRP 제조의 중요한 측면입니다. 대부분의 금형은 CNC 가공이나 수공예를 통해 왁스, 폼, 목재, 플라스틱 또는 금속으로 생산됩니다. 수동 기술은 노동 집약적이지만 CNC 가공은 여전히 복잡하고 시간이 많이 소요되는 작업 흐름을 따르며, 특히 복잡한 형상의 경우 아웃소싱에는 일반적으로 리드 타임이 길고 비용이 많이 듭니다. 두 옵션 모두 숙련된 작업자가 필요하며 설계 반복 및 금형 조정에 대한 유연성이 거의 없습니다.
적층 제조는 탄소 섬유 부품 제조를 위해 저렴한 비용으로 금형과 패턴을 빠르게 생산할 수 있는 솔루션을 제공합니다. 제조 공정에서 고분자 툴링의 사용이 지속적으로 증가하고 있습니다. 금속 도구를 사내에서 인쇄된 플라스틱 부품으로 교체하는 것은 설계 유연성을 확대하면서 생산 시간을 단축할 수 있는 강력하고 비용 효율적인 방법입니다. 엔지니어들은 이미 필라멘트 와인딩이나 자동화된 섬유 배치와 같은 방법을 지원하기 위해 지그 및 고정 장치를 제조하기 위해 고분자 수지 3D 프린팅 부품을 사용하고 있습니다. 마찬가지로, 소량 인쇄된 금형 및 다이는 사출 성형, 열성형 또는 판금 성형에 사용되어 소량 배치를 제공합니다.
사내 데스크탑 3D 프린팅에는 제한된 장비가 필요하며 작업 흐름의 복잡성이 줄어듭니다. Form 4와 같은 전문 데스크톱 레진 프린터는 가격이 저렴하고 구현이 쉬우며 수요에 따라 빠르게 확장할 수 있습니다. Form 4L과 같은 대형 3D 프린터를 사용하면 대형 공구 및 금형 제작도 가능합니다.
SLA(Stereolithography) 3D 프린팅 기술은 표면 마감이 매우 매끄러운 부품을 생성하는데, 이는 탄소 섬유 레이업 금형에 필수적입니다. 이는 높은 정밀도로 복잡한 형상을 허용합니다. 또한 Formlabs Resin Library에는 금형 및 패턴 제조와 잘 어울리는 기계적 및 열적 특성을 갖춘 엔지니어링 재료가 있습니다.
탄소 섬유 부품 제조를 위한 3D 프린팅 금형은 비용을 절감하고 리드 타임을 단축할 수 있습니다.
소규모 생산의 경우 엔지니어는 손으로 조각하거나 CNC 장비를 다룰 필요 없이 저렴한 비용으로 몇 시간 내에 금형을 직접 인쇄할 수 있습니다. CAM 소프트웨어, 기계 설정, 워크홀딩, 툴링 및 칩 배출. 금형 제작을 위한 노동력과 리드 타임이 크게 줄어들어 빠른 설계 반복과 부품 맞춤화가 가능합니다. 전통적인 방법으로는 제조하기 어려운 미세한 디테일을 갖춘 복잡한 금형 모양을 얻을 수 있습니다.
금형 구조 및 설계 지침
금형을 설계할 때 성공적으로 프린팅할 항목과 성공적으로 성형할 항목을 고려하십시오. 다양한 유형의 형상을 생성하기 위해 다양한 금형 아키텍처가 사용됩니다.
구배 각도 추가: 2~3도의 양의 구배 각도는 이형 단계를 용이하게 하고 특히 단단한 금형의 경우 금형 수명을 증가시킵니다. 그러나 Tough 1500 Resin과 같은 유연한 3D 프린팅 재료를 사용하면 드래프트 없이 부품을 생성할 수 있으며 딱딱한 금형에서 탈형할 수 없는 까다로운 형상을 포함할 수 있습니다. 재료 두께에 적합한 최소 반경을 설정하십시오. 이렇게 하면 공기가 포함되는 것을 방지하면서 섬유가 모서리에 정렬되고 반복 가능한 품질의 부품을 만드는 데 도움이 됩니다. 가파르고 가까운 모서리를 피하세요. 유려한 기하학이 네모나고 날카로운 기하학보다 작업하기 더 쉽기 때문입니다.
재료 두께에 적합한 최소 반경 설정: 이는 섬유가 공기 유입을 방지하면서 모서리에 정렬되고 반복 가능한 품질의 부품을 만드는 데 도움이 됩니다. 가파르고 가까운 모서리를 피하세요. 유려한 기하학이 네모나고 날카로운 기하학보다 작업하기 더 쉽기 때문입니다.
위치 핀 및 들여쓰기 포함 정밀한 정렬이 필요한 금형에 적합합니다. 3D 프린팅의 가장 큰 장점 중 하나는 정렬 형상의 복잡성을 허용하고 위치에 민감한 디자인을 제작하는 데 도움이 된다는 것입니다.
표면 오버런 포함: 확장된 표면의 여분의 재료는 절단되어 정확한 트림 라인을 그립니다. 3D 프린팅을 사용하면 플래싱을 제작할 필요 없이 오버런으로 프린팅할 수 있습니다.
절단선 추가: 3D 프린팅을 사용하면 드릴 가이드, 핸드 트리밍을 위한 스크라이브 라인 또는 라우터 가이드 레일과 같은 정밀한 정리 기능을 통합할 수 있습니다.
기타 모범 사례:
Formula Student는 전 세계의 학생 팀이 포뮬러 스타일의 자동차를 제작하고 경주하는 연간 엔지니어링 디자인 대회입니다. Formula Student Team TU Berlin(FaSTTUBe)은 가장 큰 그룹 중 하나입니다. 2005년부터 매년 80~90명의 학생들이 새로운 레이싱카를 개발해왔습니다.
베를린 공대(FasSTTUBe)의 Formula Student 팀은 연례 Formula Student 대회를 위해 세 대의 차량을 제작하고 있습니다.
FasSTTUBe 팀은 거의 모든 제조 기술을 활용하여 다음 세 가지 목적으로 3D 프린팅을 사용하고 있습니다.
이 사례 연구에서는 탄소 섬유로 스티어링 휠 하우징과 그립을 제작하는 데 사용한 몰딩 응용 프로그램의 세부 사항을 조사하고 있습니다.
경주용 자동차를 제작하려면 무게를 줄이는 것이 필수적입니다. 부품을 가볍게 하기 위해 속이 빈 스티어링 휠 그립을 인쇄할 수도 있었지만 운전자가 잡을 수 있을 만큼 강하지는 않았습니다. 탄소섬유는 강도를 유지하거나 높이면서 무게를 줄이는 데 탁월한 소재입니다. 올해 탄소 섬유로 부품을 제작할 수 있도록 공기 역학 및 탄소 제조 부문 책임자인 Felix Hilken은 습식 레이업 라미네이션을 위한 3D 프린팅 금형을 사용하는 워크플로를 개발했습니다.
필요한 장비:
그립은 부품을 탈형할 수 있도록 두 부분으로 나누어 제작되었습니다. 그립의 각 절반에 대해 Felix는 특히 3D 프린팅 없이 제조하기 어려운 기능을 포함하는 두 부분으로 구성된 금형을 설계했습니다.
팀은 50미크론 층 높이의 Tough 1500 Resin을 사용하여 Form Series 프린터에서 금형을 인쇄했습니다. 인쇄물을 IPA에서 10분간 두 번 세척하고 70°C에서 60분간 후경화했습니다. Tough 1500 Resin은 신율과 모듈러스의 균형을 유지하기 때문에 선택되었습니다. 이 소재로 인쇄된 부품은 상당히 구부러지고 빠르게 원래 모양으로 돌아올 수 있습니다. 이는 탈형 중 금형 파손을 방지하기 위한 바람직한 기계적 특성입니다.
탈형 과정을 촉진하기 위해 이형제를 적용합니다. 이는 중요한 첫 번째 단계입니다. 일부 표면이 덮여 있지 않으면 부품이 금형에서 분리되지 않습니다.
수지와 경화제를 섞습니다. 혼합비율은 정확하게 지켜져야 합니다. 목표 비율의 몇 퍼센트라도 벗어나면 부품이 너무 부드러워지거나 부분적으로만 경화됩니다. 수지 제조사의 지시사항을 잘 따르고 사용 전 안전시트를 읽어 보십시오. 펠릭스 수지를 사용하면 수지 혼합 후 2시간 후에 중합 공정이 시작되며 레이업 작업에는 2시간이 소요됩니다.
금형의 양극 부분에 브러시로 레진을 바릅니다.
금형의 양극쪽에 탄소 섬유 플라이를 놓습니다. 모든 윤곽을 따라야 합니다. 팀은 직조 두께와 가격의 균형을 맞추기 위해 3K 섬유를 사용했습니다. 복잡한 윤곽을 따르도록 특별히 설계되었으며 지지 가닥이 없습니다.
카본 플라이에 레진을 바르고 레이업 과정을 반복합니다. 수지는 층을 서로 접착하여 부품의 매트릭스 구성 요소를 형성하고 섬유가 재정렬되는 것을 방지합니다. 펠릭스는 세 개의 탄소섬유 플라이를 사용했습니다.
금형의 네거티브 부분에 최종 수지 층을 바르고 금형의 양쪽 절반을 함께 눌러 기포가 형성되어 섬유를 통해 침투하는 것을 방지합니다.
가위를 사용하여 여분의 재료를 잘라냅니다.
진공백에 담아 48시간 동안 경화시킵니다. 이 중합 과정에서 진공 백은 공기를 빼내고 주변 온도에서 플라이를 금형에 밀어 넣어 과도한 수지를 제거합니다. 올바른 부품 강성과 일치하도록 원하는 부피의 수지 대 섬유 비율을 보장합니다.
마무리:모든 가장자리를 모래로 닦아냅니다. 공정 후 금형을 청소하기 위해 펠릭스는 금형을 물에 30분 정도 담가서 PVA를 녹인 후 고운 1500방 사포를 사용하여 남은 수지를 제거했습니다.
팀은 탄소 섬유를 사용하여 스티어링 휠 하우징의 무게를 120g에서 21g으로 줄였고, 전통적으로 제조하기 매우 어려운 형상으로 디자인을 추진할 수 있었습니다. "3D 프린팅의 가장 큰 장점은 복잡한 형상도 단순한 형상만큼 쉽게 제조할 수 있고 동일한 양의 작업과 장비가 필요하다는 것입니다."라고 Felix는 말합니다.
3D 프린팅이 없었다면 팀은 비용이 많이 들고, 리드 타임이 길고, 특수 도구가 필요한 알루미늄 금형의 CNC 밀링을 아웃소싱해야 했을 것입니다. "금형을 CNC로 가공하고 전문 도구를 구해야 하며 기계에 슬롯이 생길 때까지 기다려야 합니다. 하지만 이 기하학적 구조도 수행할 수 없었습니다. 특히 일부 작은 모서리는 그렇습니다. 부품이 위치 지정에 민감하지 않도록 나사가 없는 설계를 사용해야 했습니다."
그의 추정에 따르면 Formlabs Tough 1500 Resin으로 프린팅된 하나의 금형을 사용하여 약 10개의 부품을 제작할 수 있었습니다. 이는 수작업이기 때문에 작업자의 세심한 주의에 따라 달라지며, 분리 과정에서 금형이 파손될 수 있습니다. 그러나 여러 개의 3D 프린팅 금형을 사용하여 생산량을 늘릴 수 있습니다. 금형의 수명을 연장하는 또 다른 솔루션은 금속 일반 금형으로 금형을 지지하는 것입니다. 3D 프린팅된 인서트가 형상을 전달하고 백업 금속 몰드가 형상을 유지하는 데 도움이 됩니다. 이는 간단한 수동 밀링 머신으로 제작할 수 있습니다.
DeltaWing Manufacturing은 독점적인 미국산 럭셔리 스포츠카의 설계 및 제조업체인 Panoz 회사를 위해 복합 부품을 제작합니다. 탄소 섬유 부품을 제작하기 위해 DeltaWing Manufacturing에서는 패턴을 가공하고, 그 위에 레이업 또는 몰드를 주조하고, 프리프레그 공정을 적용하여 탄소 섬유 부품을 적층하기 전에 몰드를 마무리했습니다.
지난 몇 년 동안 그들은 이 프로세스의 중간 단계로 사내 3D 프린팅 부품을 사용하기 시작했습니다. Panoz는 맞춤형 경주용 자동차를 위한 탄소 섬유 펜더 에어 덕트 6개가 필요했습니다. 기존 금형 제작 기술에서 노동력과 리드 타임을 줄이기 위해 DeltaWing Manufacturing의 엔지니어들은 금형을 직접 3D 프린팅하여 프리프레그 공정에 구현하기로 결정했습니다.
필요한 장비:
덕트는 최종 부품을 금형에서 쉽게 분리할 수 있도록 두 개의 서로 다른 금형에 두 개의 서로 다른 조각으로 제작한 다음 접합했습니다. 또한 각 금형은 두 조각으로 인쇄되어 Form Series 프린터의 빌드 볼륨에 맞도록 함께 조립되었습니다. 그러나 Form 4L 프린터의 더 큰 빌드 볼륨에서는 이것이 필요하지 않습니다. 부품은 금형 설계 권장 사항에 따라 적층 제조용으로 설계되었습니다.
DeltaWing은 Form 시리즈 프린터에서 100미크론 층 높이의 고온 수지로 금형을 인쇄했습니다. 이 수지를 선택한 이유는 열변형 온도(HDT)가 238°C @ 0.45MPa로 Formlabs 수지 중 가장 높고 시중에 판매되는 수지 중 가장 높기 때문입니다.
고온 수지는 높은 경화 온도를 견딜 수 있고, 작업 중에 모양을 유지하는 데 필요한 우수한 강성과 최종 부품으로 변환될 높은 수준의 세부 사항을 보여줍니다. Formlabs에서는 IPA를 사용하여 고온 레진 인쇄물을 10분간 세척하고 80°C에서 120분간 후경화한 다음 부품을 160°C에서 3시간 동안 가열하여 더 높은 HDT를 얻을 것을 권장합니다.
DeltaWing Manufacturing은 프리프레그 4K 2차원 패턴 섬유를 사용하여 인쇄된 금형에 일반적인 프리프레그 공정을 적용했습니다. 각 성형 반복에서 표면을 갱신하기 위해 각 금형을 Kapton 테이프로 덮었습니다. 섬유를 금형 위에 놓은 다음 부품을 진공 백에 넣고 탈형 및 트리밍 전에 오토클레이브에서 경화시켰습니다. 프린팅된 주형은 38°C(100°F)에서 10시간 동안 느린 경화를 견뎌냈고, 대안으로 126°C(260°F)에서 1시간 동안 빠른 경화를 손상 없이 견뎌냈습니다. 마지막 단계에서 탄소 덕트의 양쪽 절반이 접착되었습니다.
팀은 심각한 성능 저하를 관찰하지 않고 하나의 금형에 대해 6번의 반복 테스트를 실시했습니다. 우리는 하나의 금형에 대해 약 10-15번의 반복이 가능할 것으로 추정합니다. 프리프레그 공정에서 경화하는 동안 열과 압력을 가하기 위해 오토클레이브가 사용되므로 인쇄된 금형은 몇 번의 반복만 견딜 수 있습니다. 따라서 이 방법은 대량 생산에는 권장되지 않지만, 단기 배치 및 대량 맞춤형 부품을 생산하는 데는 좋은 방법입니다. 이를 통해 고성능 스포츠 장비, 항공우주용 맞춤형 툴링 또는 의료 분야의 환자에게 고유한 맞춤형 보철물과 같은 광범위한 응용이 가능합니다.
기존 탄소 섬유 부품의 강도, 내구성, 견고함과 3D 프린팅의 민첩성, 기하학적 가능성, 반복성을 결합한 워크플로우에 대한 수요가 높습니다. 따라서 탄소 섬유 3D 프린팅을 제공하는 3D 프린팅 회사가 많다는 것은 놀라운 일이 아니며, 현재 사용 가능한 두 가지 프로세스는 잘린 섬유 또는 연속 섬유를 사용하여 프린팅하는 것입니다.
잘게 잘린 탄소 섬유를 사용하는 Fuse 1+ 30W 선택적 레이저 소결(SLS) 산업용 3D 프린터용 나일론 11 CF 분말을 사용하면 제조업체는 기존 오버레이 또는 가공 방법에 의존하지 않고도 강력하고 가벼우며 내열성이 있는 부품을 만들 수 있습니다.
Formlabs 나일론 11 CF 파우더는 강력하고 가벼우며 내열성이 있어 자동차, 항공우주 및 제조 응용 분야에 이상적입니다.
섬유 강화 폴리머 제조는 흥미롭지만 복잡하고 노동 집약적인 공정입니다. 3D 프린팅된 금형과 패턴을 사용하여 탄소 섬유 부품을 만들면 기업은 작업 흐름의 복잡성을 줄이고 유연성과 설계 기회를 확장하며 비용과 리드 타임을 줄일 수 있습니다.
탄소 섬유의 많은 이점을 제공하는 직접 3D 프린팅 부품의 경우 기하학적 유연성과 더 간단하고 효율적인 프로세스의 추가 이점을 갖춘 Fuse 시리즈 SLS 3D 프린터용 Formlabs 나일론 11 CF 파우더와 같은 재료가 있습니다.
귀하의 응용 분야에 대해 논의하고 탄소 섬유 부품에 3D 프린팅을 사용하는 가장 좋은 접근 방식을 찾으려면 당사 팀에 문의하십시오.
3D 프린팅
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유지 관리는 여러 조직에서 무시하는 중요한 측면입니다. 그 결과 조직 자산이 제대로 작동하지 않고 자산 실패가 발생하며 자산 성과가 기대치에 미치지 못합니다. 이러한 유형의 시나리오는 자산이 제때 유지보수되지 않을 때 매우 일반적입니다. 이것이 조직이 유지 관리를 무시해서는 안 되는 이유입니다. 사실, 자산에 대한 사전 유지 관리를 제공해야 유지 관리 비용을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 그러나 사전 예방적 유지 관리에는 여러 유형이 있습니다. 따라서 이 블로그에서는 예측 유지 관리와 다양한 유지 관리 작업을 수행하는 데 사용되
