적층제조기술, 시제품 넘어 고기능성·복합성능 제조기술로 제품개발 및 생산혁신 주도
마크포지드, 금속 3D프린팅 외 탄소섬유 복합소재 활용한 적층제조기술 개발 선도

3D프린팅이 기존의 시제품 제작을 넘어 첨단산업의 고기능 제품 개발 및 생산혁신을 주도하는 공정기술로 발전한 가운데 3D프린팅 분야에서 기존의 플라스틱과 금속 소재 외에 탄소섬유 복합소재 활용도가 높아지는 것으로 나타났다.

기존에도 섬유 복합소재는 산업의 고도화와 더불어 기존의 항공산업 부품 제조를 뛰어넘는 다양한 사업군에서 신소재로 수요가 증가하고 있었다.

유리섬유 복합소재의 경우 다른 복합소재보다 가격이 저렴하고, 화학적 또는 이종금속 간의 부식 현상에 대한 내구성이 우수하며, 전기적 전도성이 없는 장점을 지니고 있다. 유리섬유는 흰색을 띄며, 건조된 상태의 천 형태 또는 접착제 내장 형태로 생산된다. 유리섬유는 충격 손상에 대한 저항력이 우수하여 충격 손상을 입기 쉬운 곳에 널리 사용되고 있다.

탄소섬유 복합소재는 유리섬유 복합소재의 기본적인 내충격성, 내화학성, 전기, 전도적 특성에 더하여 보다 강력한 미래 전략 소재로 부각되고 있는 소재이다. 탄소섬유의 경우 내구성, 내충격성이 유리섬유 복합소재보다 월등할 뿐더러 초경량화 소재로 활용되어 차세대 금속 소재를 대체할 신소재로 활용되고 있다.

또한, 열팽창율이 낮은 반면 전기 전도성 및 전기 차폐성 등이 탁월하여 차세대 희토류 부품의 일부를 대체할 신소재로 그 응용 분야를 확대해 나가고 있다.

유리섬유, 탄소섬유 등의 복합소재는 모재가 되는 기지 소재(플라스틱. 세라믹. 금속소재)에 강화소재를 통한 소재 성능을 보강하는 방법으로 소재가 개발되어 공급되고 있다. 복합재료는 성형 부품상에 전위변형을 강화하여 부품의 성능을 강화하는 역할을 수행한다.

이러한 이유로 강화 소재는 첨가된 강화소재의 종횡비에 따라 강화 효과가 커서 보강재 중에서도 장섬유를 이용한 복합 소재의 경우가 최고성능을 구현하는 복합재료로 제조산업군에서 활용영역이 빠르게 성장하고 있다.

근자에는 섬유 복합소재를 이용한 생산 제조기술 이연비 효율화 및 비강성, 경량화의 생산성 문제로 상기와 같이 자동차, 로봇, 드론 등의 미래형 모빌리티 분야 그리고 우주항공 및 방위산업으로 빠르게 확장되고 있다.

현재 섬유 복합소재를 이용한 생산 기술은 대표적인 CFRP/GFRP 공법으로 살펴보듯이 금형을 제작하고 해당 금형에 프리프레그먼트 필름인 직조 장 섬유 또는 토우라고 불리우는 단 섬유를 배치하면서 겹겹이 레진과 섬유를 교차 충진하여 1차 성형성을 제작한다. 이후 진공 압착 작업 후 고온 고압의 오토크레버에 수 시간 ~ 수십 시간을 열처리하여 부품을 생산하는 복잡한 가공의 단계를 거쳐 제작되고 있다. 이러한 복잡한 공정과 구조물의 성형 한계로 인해 일반적으로 패널 구조 또는 동체 구조 등을 중심으로 한 비교적 단순 형상 제작 용도로 그리고 일부 고부가가치 소량 생산 제품을 위주로 제품 개발과 생산이 진행되고 있다.

섬유 복합소재, 적층제조 기술로 복잡한 형상의 복합성능/고기능 부품 제작 가능

섬유 복합소재의 물리적, 화학적, 전기적, 기계적 특성을 활용하면서도 복잡한 기계부품 및 구조물을 보다 간편하게 성형하고자 섬유복합 소재를 3D프린팅 기술로 성형하는 특허 기술을 마크포지드사에게 개발 상용화하였다.

마크포지드사는 성형 제어에 따라 래티스. 솔리드 등의 폴리머 기지상에 수 미크론 직경의 꼬임 장섬유 보강제 다발을 선택적 배치하며 포징하는 방법으로 하우징 성형물 뿐 만 아니라 복잡한 형상의 3차원 구조체, 기계부품을 섬유 복합소재로 프린팅하는 기술을 개발 공급하고 있다.

하기 왼쪽 사진에서 확인하는 것처럼 탄소섬유, 고온고강 유리섬유 및 케블라 원사는 서브 미크론 단위의 수백 다발의 꼬임 원사를 다발 충진하여 50미크론의 필라멘트 형태로 공급된다. 해당 원사를 강화재로 카본강화폴리머인 오닉스, 나일론, 울템 등의소재를 기지소재로 포징하여3D 부품을 제작하는 방식으로 복잡한 기계부품의 형상도 3D프린팅 기술로 제작이 가능하게 되었다.

상기 오른쪽 그래프는 알루미늄 주조 시편 전통 CFRP 그리고 탄소섬유 복합소재로 외부바운더리를 강화처리한 시편의 인장 강도 테스트 결과를 제시하고 있다.

탄소섬유 복합소재는 일반 탄소 입자 강화 소재 시편보다 압도적으로 높은 강성을 그리고 알루미늄 주조 시편에 준하는 결과를 보여주고 있다. 이러한 기계적 물성을 참조하여 거동 피로도가 높거나, 하중 지지체의 역할을 수행 하는 부분, 충격 강도가 높은 부분은 탄소섬유 복합소재로 그리고 그 이외의 부품 형상은 탄소 입자 강화 소재를 선택적으로 배치하여 성형함으로서 복합 기능 부품 성형이 가능 하다.

탄소섬유 복합재료 적층제조의 경우 전체 성형체를 탄소 섬유 원사 위주로 성형하는 제조도 가능하지만, 원사 형태의 탄소섬유를 선택적 영역에 배치하면서 폴리머 기지상에 숏 토우 탄소섬유를 컴파운딩한 오닉스 복합재료와 혼용하여 성형 부품의 용도 및 요구 성능에 따라 최적 성능, 복합 기능의 설계가 가능하다.

즉, 부품의 영역별로 선택적인 소재 배열을 통해 특정 부위는 강화 탄소복합소재인 오닉스로 연성과 충격저항을 높이고, 특정부위는 섬유강화 복합 소재로 강성, 인장력, 크립 저항 강도를 높이는 방식으로 최적의 부품 성능을 설계 생산하는 방법이 가능하다.

이는 아이거소프트웨어를 통해 선택적 배열 설계작업을 수행하고 블랙 스미트소프트웨어를 통해 물성 정도를 시뮬레이션해 보면서 성능 설계 작업이 가능하다. 또한, 아이거 소프트웨어 상에서 DfAM설계 방식으로 샌드위치 구조, 격자 구조 등의 기하 형상을 도입한 성능 설계 또한 가능하다.

다음 제시하는 각 사례를 통해서 탄소 강화소재, 탄소섬유 복합소재, 고온고강 유리섬유 및 난연소재 등의 소재를 선택적으로 배향하여 복잡한 형상의 부품들을 복합성능으로 최적화하여 적층제조한 것을 확인할 수 있다.

이러한 복합성능 및 복잡한 3D 형상의 적층제조 성형기술로 제조기술의 혁신을 리드하는 테슬라의 경우, 자동차 모터를 자성 소재에서 탄소 블레이드로 변경하여 제로백을 3초에서 1.9초로 향상시켰고, GM 및 토요타 등을 포함한 로봇, 드론, 미래형 모빌러티 산업군에서도 섬유소재를 활용한 비강도 향상으로 차량 경량화를 추구해 나가고 있다.

또한 항공 및 방위산업 부품들도 단순 구조체 제작이나 시제품 제작을 넘어 섬유 복합소재의 사용으로 비강도를 높이는 구조체 제작 및 신소재를 이용한 기계부품 혁신 제조를 선도하고 있다.

기능성 설계 목적으로 섬유 복합소재를 사용하는 산업군별 애플리케이션

탄소섬유 복합 재료는 경량화 목적의 비강성 구조체 이외에도 열, 전기 전도성이 높은 반면 상대적으로 열 팽창율이 낮아 고기능성 복합성능을 구현하는 소재로 활용된다.

항공우주, 군수방위, 전기차, 드론, 로봇 등은 저밀도 고강성의 경량화 강성 구조체 성형을 통해 안정성을 높이면서 연비를 최소화하는 연구의 답을 탄소섬유 복합소재에서 찾았다. 보잉 787 드림라이너, 에어버스 A350. BMW 7 등이 탄소섬유 복합재료를 이용한 경량 강성 구조체 성형을 생산에 적용되면서 하이테크 산업군을 중심으로 첨단 소재 활용도가 확산되고 있다.

테슬라 및 보스턴 다이나믹스 등의 로봇, 드론, 전기차 산업체에서도 탄소섬유 복합소재를 이용한 적층 제조를 활용하고 있다.

섬유 복합재료는 적층 제조기술로 공법이 확장되면서 동체, 하우징이상의 복잡한 기계부품 생산이 가능하게 되어 협동로봇, 휴머노이드 로봇부품 및 자동화를 위한 EOAT 로봇 부품과 몰드/다이 의 생산 툴 및 지그 픽스쳐 등의 다양한 부품 생산으로 그 활용영역을 확대해 나가고 있다.

또한, 탄소는 그 탁월한 특징 중의 하나인 전자파 흡수 및 차폐 능력으로 인해 스텔스 전투기 소재로 활용되는데 이러한 전자파 및 중성자 흡수 능력으로 에너지. 발전 분야에서도 그 활용도가 높아지고 있다.

세계적인 해상풍력발전용 블레이드 제작, 설치, 및 메인터스를 수행하는 VESTAS는 탄소복합 소재, 구리 및 공구강 소재 프린팅 기술을 활용해서 터빈 블레이드 개발의 개발, 제작 및 품질 관리용 지그 픽스쳐 제작에 적층 제조 기술을 글로벌조직에서 사용하고 있다.

또한, 아이거플릿 소프트웨어를 이용한 설계 데이터의 글로벌 통합 운영 지원 관리, 블랙 스미스 소프트웨어를 이용한 품질 검수 관리 등의 전공정 프로세스에 토탈 솔루션으로 마크포지드의 디지털 포징 솔루션을 적용하고 있다.