탄소 섬유를 사용하는 3D 인쇄와 자동화 탄소 섬유 레이업의 차이점

최근 두 건의 개발로 3D 인쇄와 혼합재 제작 간의 경계가 모호해 졌습니다. 첫 번째 개발은 3D 인쇄가 이제 나일론 같은 고강도 고분자를 사용하여, 인쇄된 부품을 강화하는 연속 탄소 섬유를 가진 매트릭스 역할을 하는 방식입니다.

그림 1: 섬유 생산 시설의 탄소 섬유 보빈. 이 재료는 적층 제조 방법을 통해 제작되는 작업물을 강화하는 데 광범위하게 사용됩니다. (이미지 출처: Getty Images)

두 번째 개발은 복합재 제작(특히 항공 우주 및 자동화 기계 부품용)이 수동 레이업에서 자동화 프로세스로 점점 더 많이 이동하는 방식입니다. 두 번째 개발의 경우 재료를 증착하기 위해 로봇 자동화에 의존하는 테이프 레잉 및 섬유 배치가 포함됩니다.

실제로, 이 두 프로세스와 이 프로세스로 생산되는 다양한 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부품의 성능 간에는 여전히 다른 차이점이 있습니다.

탄소 섬유 강화 3D 인쇄

거의 모든 적층 제조(AM) 프로세스에 공통된 사항은 일련의 2차원 레이어를 서로 다른 레이어 위에 차례로 쌓아 3D 부품을 빌드업한다는 것입니다. AM 프로세스는 매우 다양합니다. 산업 응용 제품용으로 가장 잘 정립된 두 프로세스는 선택적 레이저 소결(SLS)과 입체인쇄기술입니다.

SLS는 레이저를 사용하여 분말형 재료를 켠켠히 융합하여 부품을 제작합니다. 처음에 고분자용으로 설계된 빌드업 프로세스를 위해 개발된 SLS는 오늘날 고강도를 갖는 알루미늄, 스테인리스 강, 티타늄 항공 우주 부품을 생산하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

그러나 대부분의 레잉 전문가(및 엔지니어)에게 익숙한 AM 프로세스는 필라멘트 증착 모델링(FDM)입니다. FDM 레이업에서는 필라멘트 스풀이 가열된 서브어셈블리로 공급된 후 노즐에 용해된 고분자로 존재합니다. 고분자 재료가 현재 파트 레이어에 자유롭게 흘러들고 증착(및 빠르게 응고)되므로 이제 노즐은 제작 중인 파트의 표면을 이동합니다. 이 프로세스는 열간 접착제 건을 사용하여 3D 파트를 빌드업하는 과정과 다소 유사합니다.

오늘날에는 저렴한 FDM 기계가 매우 많습니다. 이는 부분적으로, 대부분의 사람들이 3D 인쇄를 언급할 때 FDM이 AM 하위 유형이라고 생각하는 이유입니다. 3D 인쇄 및 적층 제조라는 용어는 구별없이 공용될 수 있지만 적층 제조는 일반적으로 고품질 산업용 시제품 제작 및 생산 부문을 나타냅니다. 반대로, 용어 3D 인쇄는 (항상은 아니지만) 저렴한 시제품 제작이나 취미 수준의 응용 분야를 나타내는 경우가 많습니다.

일부 FDM 기계는 상대적으로 작은 비율의 짧은 가닥 무배향 유리 또는 탄소 섬유로 강화된 고분자 재료와 호환됩니다. 이러한 유형의 강화는 자동화 기계에 포함시키도록 고안된 고성능 복합재 부품보다는 고강도 사출 성형 부품(예: 자동차 펜더 및 대시보드)과 관련된 경우가 많습니다. 반면에 오늘날 엄선된 소수의 고급 FDM 기계는 연속적인 탄소 섬유 가닥과 함께 나일론과 같은 고강도 고분자를 증착할 수 있습니다. Markforged는 이러한 유형의 3D 인쇄에 대한 초기 선구업체로서 연속 탄소 섬유 가닥의 이점을 강화했습니다. 대부분의 엔지니어들이 이렇게 강화된 부품 생산과 이 회사를 계속 연관시키는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

자동화 복합재 제작

항공 우주와 같은 산업 내에서 수동 작업을 기반으로 하는 전통적인 복합재 제작은 천천히 자동화 프로세스로 대체되고 있습니다. 6축 산업용 로봇과 비스포크 갠트리 기계는 다음을 실행하기 위한 선도적인 모션 시스템 설계입니다.

• 자동화 섬유 배치 및 필라멘트 와인딩
• 건조 섬유 모재를 포함하는 몰드에 수지를 주입하는 수지 융합 방법

자동화 복합재 주입 프로세스는 개방형 몰드 및 폐쇄형 몰드 기법으로 더욱 차별화됩니다. 폐쇄형 몰드 복합재 주입 프로세스는 모든 외부면이 매끈하고 잘 제어될 수 있도록 합니다. 반대로 개방형 몰드 프로세스는 잘 제어되는 외부 몰드 라인 표면과 훨씬 더 거친 내부 몰드 라인 표면을 가집니다.

자동화 테이프 레잉(ATL) 기계는 일반적으로 갠트리 장치를 사용하여 수지를 다량 함유한 소위 프리프레그 테이프를 상대적으로 평평한 또는 완곡한 곡면의 단면 몰드에 증착합니다. ATL 장치의 말단 장치에는 다음이 포함될 수 있습니다.

• 롤러
• 증착 시 플라이를 디벌크하고 고정하는 발열체
• 새 위치에서 시작하기 전에 테이프를 자르는 절단기

테이프는 일반적으로 폭이 3mm ~ 12mm이지만 열가소성 또는 열경화성 테이프에 연속 섬유가 포함되어 있는 경우 최대 300mm까지 가능합니다. 열경화성 수지는 일반적으로 ATL 작업 이후 오토클레이브에서 경화되며, 열가소성 수지 테이프는 테이프 레잉 헤드에 예열기가 필요합니다. 여러 층의 테이프가 섬유 배향에 대한 효과적인 제어를 통해 각 층에 겹겹이 증착됩니다.

ATL 레이업 프로세스는 매우 높은 증착 속도(최대 45kg/시간)를 달성합니다. 유일한 단점은 비용이 많이 드는 프리프레그 재료가 필요하다는 것입니다.

필라멘트 와인딩이라는 또 다른 기술은 회전하는 맨드렐(관형 구조 생산을 위한 단면 몰드의 한 유형)에 섬유를 증착합니다. 맨드렐이 회전하면 스풀에서 섬유를 풀링하고, 결과적으로 섬유 배향을 제어하기 위해 회전 축의 위 아래로 이동합니다. 필라멘트 와인딩은 프리프레그 테이프뿐만 아니라 증착 바로 전 신속하게 함침된 건조 섬유와도 호환됩니다. 후자의 경우 건조 섬유는 습식 와인딩이라는 프로세서에서 수지욕을 통해 생성되며, 이는 재료 비용을 최소화하는 이점이 있습니다. 필라멘트 와인딩의 경우 생성되는 공작물의 프로파일이 완벽하게 원형일 필요는 없지만 연속적으로 볼록해야 합니다. 섬유의 장력은 섬유의 축 정렬을 제어할 수는 없지만 우수한 압축과 섬유 배향에 대해 우수한 제어를 제공합니다.

내로우 테이프 AFP(자동화 섬유 배치) 및 ATP(자동화 토우 배치) 프로세스는 현재 항공기 생산에 널리 사용됩니다. 이러한 접근 방식을 통해 여러 내로우 프리프레그 테이프가 공작물 빌드에 동시에 증착됩니다. AFP 및 ATP는 필라멘트 와인딩과 자동화 테이프 레잉의 여러 이점을 결합합니다. 그러나, ATL 프로세스보다 훨씬 더 타이트한 곡선이라는 추가적인 이점을 제공하면서 높은 증착 속도를 계속적으로 유지합니다. 고정 몰드 및 회전 맨드렐 모두를 사용할 수 있습니다.

수지 전달 성형(RTM)은 사출 성형과 유사합니다. 이는 사출 성형보다 훨씬 느리기는 하지만 수지가 주입되는 폐쇄형 몰드를 사용합니다. (RTM을 통해 몰드를 채우는 데에는 대개 5분 ~ 20분이 소요될 수 있습니다.) 건조 섬유 모재는 먼저 절단 및 조립되어 몰드에 배치되며 이는 일반적으로 상당한 수동 개입을 받는 6축 로봇에 의해 수행됩니다. RTM의 이점은 적층 프로세스로 허용 오차가 매우 타이트한 복합 형상을 달성할 수 있다는 것입니다.

3D 인쇄와 자동화 복합재 제작 간의 주요 프로세스 차이점

3D 인쇄와 자동화 복합재 제작 사이의 가장 분명하고 기본적인 차이점은 툴링 요구 사항과 관련이 있습니다.

3D 인쇄는 단순히 평평한 바닥판에 재료를 쌓아 돌출되거나 움푹 꺼진 구조물에 필요한 고유한 지지 구조물을 생성합니다. 따라서 파트별로 다른 툴링이 필요하지 않으므로 일회성 설계를 낮은 비용으로 신속하게 생성할 수 있습니다. 반대로, 모든 자동화 복합재 제작 프로세스는 부품의 최종 형태를 정의하는 특정 형태의 몰드 툴링에 재료를 증착합니다. 즉, 일반적으로 실제 혼합재 제작이 시작되기도 전에 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되는 기계 가공 작업이 필요하므로 이러한 방법은 신속한 일회성 시제품 제작에 적합하지 않습니다.

3D 인쇄와 자동화 복합재 제작 사이의 또 다른 차이점은 전반적인 복잡성과 관련이 있습니다. 3D 인쇄는 본질적으로 단일 프로세스(재료 증착 후 상대적으로 적은 양의 거칠기 제거 및 정화 포함)인 반면 복합재 제작에는 대개 여러 마감 프로세스가 포함됩니다. 부품은 레이업 사이에 수행되는 여러 압축 및 디벌크 작업을 통해 몰드에 레이업될 수 있으며 후속적인 오토클레이브 경화도 필요할 수 있습니다. 복합재 제작은 더 높은 성능의 공작물을 제공할 수 있지만 자본 집약도가 훨씬 높은 장비 및 전문 지식도 필요합니다.

그림 2: 3D 인쇄의 부피 디벌크 프로세스(왼쪽)와 자동화 복합재 제작(오른쪽)의 차이점. (이미지 출처: Jody Muelaner)

압축 또는 디벌크 작업은 종종 롤러나 진공 백을 사용하여 수행됩니다. 이러한 기술은 섬유 분율을 향상시키고 주름 같은 문제도 방지할 수 있습니다. 먼저 아래쪽 플라이가 디벌크되지 않은 경우 주름이 생기기 쉬운 외부 ​​플라이가 있는 아래 예를 고려해 보십시오.

그림 3: 브리징 및 압축을 포함한 적층 제조 문제 (이미지 소스: Jody Muelaner)

적층 제조 공작물에는 브리징과 압축이라는 두 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 브리징은 플라이가 몰드 또는 이전 플라이에 완전히 일치하지 않아 공동이 발생하는 경우 내부 반지름에 영향을 줍니다. 압축은 외부 반지름에 영향을 주며, 공작물의 코너에서 재료 두께를 줄이는 데 지나치게 집중된 디벌크 및 통합력으로 인해 발생합니다.

탄소 섬유 강화 플라스틱 성능 강화

적층 제조를 통한 강화된 공작물은 본질적으로 고분자 매트릭스로 함께 결합된 섬유를 포함하는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 부품입니다. CFRP 부품의 강도는 개별 탄소 섬유의 강도가 아니라 다음에 의해 제한됩니다.

• 탄소 섬유로 구성된 전체 재료 내용물 비율
• 섬유 매트릭스 계면의 정확한 하위 유형
• 섬유 배향

섬유 분율은 부품의 전체 질량에서 탄소 섬유가 차지하는 비율(%)입니다. CFRP에 주로 강도를 부여하는 것은 탄소 섬유이기 때문에 섬유 분율이 높을수록 더 높은 성능을 얻을 수 있기 때문입니다. 섬유를 효율적으로 고정하기에 충분한 매트릭스 재료만 있으면 됩니다. 그러나 여기에서 고려해야 할 주의 사항이 있습니다.

섬유-매트릭스 계면은 개별 탄소 섬유의 표면과 고분자 매트릭스 사이의 결합입니다. 일반적으로 이러한 계면에서 실제로 오류가 발생합니다. 우수한 섬유-매트릭스 계면을 달성하는 첫 번째 단계는 복합 재료를 형성하는 동안 섬유가 완전히 습윤되어 고분자가 실제로 모든 섬유에 침투하도록 하는 것입니다. 진공 백 및 압축은 습윤 및 달성할 수 있는 섬유 분율을 극적으로 개선할 수 있습니다. 최적의 섬유 분율은 일반적으로 55% ~ 65% 범위로 완전한 습윤을 보장합니다. 섬유 분율이 높으면 3D 인쇄를 사용할 수도 있습니다.

매트릭스 재료 유형은 섬유-매트릭스 계면에도 영향을 미칩니다. 오토클레이브 경화 열경화성 수지는 일반적으로 열가소성 수지보다 더 높은 성능을 제공합니다.

결론

자동화 복합재 제작으로 만든 공작물은 현재 탄소 섬유를 포함하는 3D 인쇄 파트보다 훨씬 더 높은 성능을 달성합니다. 그러나 근본적인 이유는 거의 없는 것으로 보입니다. 최신 열가소성 플라스틱은 이제 합리적으로 높은 성능을 달성할 수 있으며 자동화된 항공기 파트 및 기타 까다로운 응용 제품의 제조에서 점점 보편화되고 있습니다.

머지않아 탄소 섬유 보강재를 통합한 3D 인쇄 프로세스로 제작된 부품이 기존의 열가소성 플라스틱 복합재 방식으로 제작된 부품의 성능에 필적할 수 있습니다. 그러나 전통적인 판금 가공 및 공작 기계 방법(예: 엄격하게 제어되는 성형 라인)으로 가능한 정밀 표면 및 모양은 3D 인쇄가 가까운 시일 내에 따라가지 못할 것 같은 영역 중 하나입니다.