3D 프린팅이 복합 소재 제조에 혁신을 가져오는 방식

3D Science Valley의 시장 조사에 따르면 복합 소재는 다양한 분야에서 입지를 다지고 있습니다. 특히 주요 항공기 부품 제조에 검증된 소재와 공정을 제공합니다. 복합 소재 적용 범위는 계속 확대되고 있으며, 오늘날 3D 프린팅이 이 진전을 가속화하고 있습니다. 적층 제조 기술은 금형 없이 복합 소재 부품을 제작할 수 있는 길을 열었고, 복합 소재 산업에 새로운 제조 옵션을 제시했습니다.

더욱 유연해진 복합 소재 제조

3D 프린팅·적층 제조는 다차원적 심화, 양산 적용, 응용 분야 확장으로 나아가고 있습니다. 신소재와 신공정의 결합이 산업화의 핵심 경로입니다.

"복합 소재"는 일반적으로 연속·불연속 섬유(탄소섬유, 유리섬유, 황마·아마·아라미드·현무암 등 천연섬유)로 강화된 열경화성 또는 열가소성 폴리머 매트릭스 소재를 의미합니다.

항공기 산업을 예로 들면, 1970년대 여객기에는 복합 소재가 전혀 쓰이지 않았으나 오늘날 보잉 드림라이너는 80%가 복합 소재입니다. 자동차 산업에서는 1980년대 GE가 범퍼, 에어필터 하우징 등 응력 없는 강철 부품을 플라스틱으로 대체한 바 있습니다. 적층 제조된 탄소섬유 복합 부품도 같은 방식으로 기존 부품을 대체할 수 있습니다.

항공 분야에 비해 자동차 분야에서 탄소섬유 복합 소재 3D 프린팅의 초기 기회는 스포일러, 스티어링 휠, 도어 핸들 같은 부품에 있으며, 점차 대형 구조 부품 대체로 확대될 전망입니다.

최종 시장에서 복합 소재의 가치가 가장 큰 분야는 항공우주입니다. 동체 스킨, 스트링거, 프레임, 날개 구조물(스킨, 스파, 스트링거), 꼬리 구조물, 창문 주변, 수하물 칸막이, 내부 격벽 등 다양한 부품에 쓰입니다. 풍력 산업(복합 소재 풍력 블레이드)도 소재 사용량 면에서 큰 비중을 차지합니다.

복합 소재 제조에서 적층 제조의 역할은 개별 부품이나 소량 생산 시 기존 방식으로는 어렵던 작업을 더 효율적이고 빠르게 가능하게 하는 것입니다. 적층 공정에서 연속 섬유를 활용하면 강도와 강성이 부여되어 부품 활용도를 한 단계 높입니다.

복합 소재 3D 프린팅 5대 기술

1. 현장 함침(In-situ impregnation): 건식 섬유를 노즐로 공급하면서 공압출 방식으로 매트릭스 소재를 주입해 증착 전 노즐 내에서 가열·함침합니다.

2. 타워 공압출(Co-extrusion with towpreg): 건식 섬유 대신 프리프레그/얇은 프리프레그 테이프를 노즐로 공급해 가열·공압출합니다. 일반적으로 두 매트릭스는 동일하나, Anisoprint처럼 프리프레그 매트릭스는 열경화성, 공압출은 열가소성인 예외도 있습니다.

3. 토프레그 압출(Towpreg extrusion): 토프레그 원재료를 가열·압출해 다른 소재 없이 증착합니다.

4. 현장 통합(In-situ consolidation): 열가소성 수지용 자동 섬유 배치(AFP)의 축소판으로, 공급되는 열가소성 토프레그/프리프레그 테이프를 노즐에서 외부 에너지원으로 가열한 뒤 압력 롤러로 배치·경화하며 증착합니다.

5. 인라인 함침(Inline impregnation): 3D 필라멘트 와인딩과 유사하게, 섬유가 프린트 헤드로 공급되는 동안 함침되며 노즐을 통해 증착됩니다.

복합 소재 3D 프린팅의 응용 발전

현재 또는 적층 제조 덕분에 더 쉽게 제작할 수 있는 복합 소재 부품은 무엇일까요?

항공우주 분야에서 브라켓과 패스너는 특히 기체 구조물에 광범위하게 쓰입니다. 예를 들어 동체 스킨 내부의 프레임과 스트링거 시리즈입니다. 현재 제조 체계에서는 기계적 패스너로 프레임과 구조물을 동체 스킨에 연결합니다. 이는 다양한 복잡한 브라켓·패스너·하드웨어를 전통 복합 소재 성형(압축 성형)으로 제작해 왔으나, 향후 생산량과 소재 요건에 따라 적층 제조로 더 효율적으로 대체될 것입니다.

대형 항공기뿐 아니라 소형 시나리오에서도 3D 프린팅 복합 소재는 상상력 있는 적용 공간을 가집니다.

적층 제조는 소형·복잡·소량 생산 부품에 복합 소재를 점점 더 실용적으로 만듭니다. 복합 소재 제조사 Hexcel은 자사의 'HexAM' 적층 공정으로 무인항공기(UAV) 부품을 3D 프린팅합니다.

소량·복잡 부품에서 더 상상하기 쉬운 예는 오늘날 절삭 가공된 금속 부품의 대체재입니다. 금속 부품을 복합 소재로 대체하는 것은 약 50년간 복합 소재 산업의 주된 흐름이었습니다. 다만 적층 제조 복합 소재가 금속 제품을 대체하려면 해결해야 할 과제가 남아 있습니다.

3D 프린팅 서비스 제공업체

시장에는 수많은 3D 프린팅 서비스 업체가 있어 선택에 어려움을 겪기 쉽습니다. 글 말미에 전문 3D 프린팅 서비스 업체 JTR Machine을 추천합니다. 중국 최고의 3D 프린팅 기업 중 하나로, 고객 니즈에 맞춘 완전한 제품 솔루션을 제공하며 제품 특성에 따라 3D 프린팅 또는 기존 CNC 가공을 최적 선택해 부품과 제품을 가장 올바르게 완성합니다. 전문 3D 프린팅 서비스 업체로 생산 문제를 해결하고 싶다면 문의해 주세요.