탄소 섬유 부품 제작 방법

탄소 섬유 강화 플라스틱과 같은 복합 재료는 높은 활용도를 지니며 효율적인 재료로서 항공우주산업에서 의료 산업에 이르기까지 다양한 시장에서 혁신을 주도하고 있습니다. 복합 재료는 강철, 알루미늄, 목재, 플라스틱과 같은 전통적인 재료보다 성능이 뛰어나 고성능 경량 제품을 제작할 수 있습니다.

이 가이드에서는 다양한 탄소 섬유 레이업, 라미네이션 및 성형 방법을 비롯한 탄소 섬유 부품 제작 관련 기본 사항 및 3D 프린터로 탄소 섬유 금형을 제작함으로써 비용을 절감하고 시간을 절약하는 방법에 대해 살펴보겠습니다.

복합 소재란 단일한 구성 요소가 아닌, 다른 특성을 가진 두 개 이상의 구성 요소를 조합한 소재입니다. 복합 소재의 경우, 일반적으로 강도, 효율성, 내구성 등 개선된 엔지니어링 특성이 추가됩니다. 복합 소재는 모재(폴리머, 금속, 세라믹 등)에  보강재(섬유 또는 입자)를 적용을 통해 제작됩니다. 

섬유 강화 폴리머(FRP)는 시장을 지배하며 다양한 산업에서 활발히 새로운 방식으로 응용되고 있습니다. 특히 탄소 섬유는 알루미늄보다 40% 가볍지만 세 배 이상 강도를 지녀 항공기, 경주용 자동차, 자전거 등에 널리 사용되는 복합 소재입니다. 탄소 섬유는 에폭시 수지와 강화 탄소 섬유로 형성됩니다.

섬유는 방향으로 단일 직조될 수 있고 벡터에 상대적인 강도를 만들기 위해 전략적으로 정렬될 수 있습니다. 교차 직조된 섬유는 여러 벡터의 강도의 제작에 사용이 가능하며 복합 소재 부품에서 특징적인 누빔 형태는 이로 인해 발생합니다. 부품은 이 두 가지를 조합하여 생산하는 것이 일반적입니다. 현재 다음과 같이 다양한 유형의 탄소 섬유를 이용할 수 있습니다.

레진은 이러한 섬유를 한데 고정하고 단단한 복합체를 만드는 데 사용됩니다. 수백 가지 유형의 레진을 사용할 수 있지만, 가장 인기 있는 레진은 다음과 같습니다.

탄소 섬유 부품과 같은 섬유 강화 폴리머를 제조하는 작업은 숙련된 전문가가 필요한 노동 집약적인 공정으로 일회성 및 간헐 생산(batch production) 모두에 사용됩니다. 사이클타임은 부품의 크기와 형태 복잡성에 따라 1~150시간까지 다양합니다. 일반적으로 FRP 제작의 경우, 연속 직선 섬유는 매트릭스에 결합되어 개별 플라이를 형성하며, 최종 부품에 층별로 적층됩니다. 

복합 재료 특성은 적층 공정만큼이나 재료에 의해 결정되기 때문에, 섬유가 통합되는 방식은 부품의 성능에 크게 영향을 미칩니다. 열경화성 레진은 툴 또는 금형에서 보강재와 함께 성형되고 경화되어 견고한 제품을 형성합니다. 라미네이션 기법은 다양한 방식이 존재하나, 크게 세 가지 유형으로 구분할 수 있습니다.

습식 레이업에서는 섬유를 절단하여 금형에 넣은 다음 브러시, 롤러 또는 스프레이 건을 통해 레진을 도포합니다. 고품질의 부품 제작 시 습식 레이업 기법을 적용할 경우 숙련된 기술이 필요하지만, DIY 탄소 섬유 부품을 만드는 것처럼 간략히 시작할 때 필요 요건이 가장 적으며 가장 저렴한 워크플로이기도 합니다. 이전에 탄소 섬유 부품을 제작해본 경험이 없고 아직 장비를 갖추지 않았다면 습식 레이업 방식으로 직접 라미네이션을 진행을 통한 시작을 권장합니다.

동영상을 통해 습식 탄소 섬유 레이업 공정이 어떻게 이뤄지는지 확인해보세요.

프리프레그 라미네이션의 경우, 레진이 전방의 섬유에 주입됩니다. 프리프레그(미리 함침)된 시트는 영화 과정을 억제하기 위해 차갑게 보관됩니다. 그 후 섬유 가닥은 오토클레이브에서 열과 압력 하에 금형으로 경화됩니다. 이 방식은 레진의 양이 제어되기 때문에 더 정확하고 반복 가능한 공정이지만 고성능 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 고비용이 소요되는 기술이기도 합니다.

RTM 성형의 경우, 건식 섬유가 이부 금형에 삽입됩니다. 금형을 클램핑된 상태로 닫은 후 고압에서 공동(cavity)에 레진을 밀어넣습니다. RTM은 일반적으로 대량 생산에 사용되는 자동화된 공정입니다.

금형 품질은 최종 부품 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 공구 제작은 FRP 제조에 있어 중요한 측면입니다. 대부분의 금형은 왁스, 폼, 목재, 플라스틱, 금속 등을 재료로 CNC 가공 또는 수공 작업을 통해 생산됩니다. 수공 작업은 노동 집약적이며, CNC 가공은 오늘날에도 여전히 복잡하고 시간이 많이 소요되는 워크플로에 따라 진행됩니다. 특히 복잡한 기하학적 구조의 부품 제작 시, 외주 주문에 비용이 많이 들고 리드 타임이 길어집니다. 두 가지 방식 모두 숙련된 작업자가 필요하며 설계 반복 및 금형 변경을 진행하기가 어렵습니다.

적층 제조는 탄소 섬유 부품을 제조하기 위해 저비용으로 금형 및 패턴을 신속하게 제작할 수 있는 솔루션을 제공합니다. 제조 공정에서 폴리머 도구 사용이 지속적으로 증가하고 있습니다. 금속 공구를 사내에서 자체적으로 프린팅한 플라스틱 부품으로 교체할 경우, 생산 시간을 단축하는 동시에 설계 유연성을 확장할 수 있는 강력하고 비용 효율적인 수단을 보유하게 됩니다. 엔지니어들은 이미 필라멘트 와인딩(filament winding) 또는 자동 섬유 배치와 같은 방식을 지원하는 지그 및 고정 장치를 제조하기 위해 폴리머 레진 3D 프린팅 부품을 사용하고 있습니다. 마찬가지로 짧은 기간 사용할 프린팅 금형 및 다이는 사출 성형, 열 성형 또는 판금 성형 방식으로 제작되어 소량의 부품을 간헐적으로 생산합니다. 

사내 데스크탑 3D 프린팅에는 한정된 장비만 필요하고 워크플로 복잡성도 줄어듭니다. Form 3+와 같은 전문가용 데스크탑 프린터는 저렴하고 구현이 쉬우며 수요에 따라 생산 능력의 신속한 확장이 가능합니다. Form 3L과 같은 대형 3D 프린터로 대형 도구와 금형을 제작하는 것도 가능합니다.

광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅 기술은 탄소 섬유 레이업 금형에 필수적인 매끄러운 표면 마감으로 부품을 생성합니다. 또한 높은 정밀도로 복잡한 형상을 제작하는 것도 가능합니다. 또한 Formlabs Resin Library에서 금형 및 패턴 제작에 적합한 기계적 및 열적 특성을 가진 엔지니어링 재료를 찾으실 수 있습니다.

탄소 섬유 부품 제조를 위한 3D 프린팅 금형을 통해 비용을 절감하고 리드 타임을 단축할 수 있습니다.

소량 생산 시 엔지니어는 CAM 소프트웨어, 기계 설정, 워크홀딩, 툴링 및 칩 배출 등의 CNC 장비를 조작하거나 손으로 직접 조각할 필요 없이 몇 시간 만에 저렴한 비용으로 금형을 직접 프린팅할 수 있습니다 이에 따라 금형 제작을 위한 노동력과 리드 타임이 크게 줄어들어 신속한 설계 반복과 맞춤형 부품의 제작이 가능합니다. 이들은 기존 방식으로는 제조하기 어려운 정교한 디테일을 지닌 복잡한 형태의 금형을 제작할 수 있습니다. 

TU Berlin(FaSTTUBe)의 Formula Student 팀은 경주 자동차용 탄소 섬유 부품을 수십 개 제작했습니다. 팀의 엔지니어는 Formlabs Tough 1500 레진으로 직접 프린팅한 금형에 수작업으로 라미네이트 작업을 진행합니다. 이 레진은 인장 탄성률이 1.5GPa, 파단 연신율이 51%입니다. 레이업 시 견고하고 지지력이 있을 뿐만 아니라 경화 후 금형에서 부품을 쉽게 분리할 수 있을 정도로 유연합니다. 

이 기술은 집중적인 경화 조건과 연관되지 않지만 종종 다른 라미네이팅 공정에는 더 높은 압력과 온도가 필요합니다. DeltaWing Manufacturing은 High Temp Resin을 사용하여 프리프레그(prepreg) 공정을 통해 에어 플로우(air flow) 구성 요소를 제작합니다. High Temp Resin은 238°C @ 0.45 MPa의 열변형 온도(HDT)를 가지며 오토클레이브(고압멸균기, autoclave)의 열과 압력을 견딜 수 있습니다. DeltaWing Manufacturing은 금형을 직접 프린팅하여 약 10개의 맞춤형 부품 시리즈를 생산해 왔습니다. 

직접 3D 프린팅한 폴리머 금형은 단기 제작 과정에 사용하기에 최적의 도구입니다. 단, 전통적인 금형에 비해서는 수명이 짧으므로 대량 생산에는 적합하지 않습니다. 

생산을 늘리기 위해 DeltaWing Manufacturing은 High Temp Resin으로 금형 패턴을 프린팅한 다음 레진으로 주조합니다. 또한, 집중 경화 조건이 필요한 라미네이팅 공정의 경우, 3D 프린팅 금형이 적합하지 않은데, 이때 패턴 프린팅은 유용하게 활용할 수 있는 대안이 됩니다. 제조업체는 주문형 맞춤 패턴을 프린팅하되 금형 제작 기술에서 패턴 가공(pattern fabrication)이라는 한 단계를 없앨 수 있는 것입니다.

섬유 강화 폴리머 제작 작업은 흥미롭지만 복잡하며 노동 집약적인 공정입니다. 3D 프린팅 금형과 패턴을 사용하여 탄소 섬유 부품 제작 시, 기업은 워크플로를 단순화하고, 유연성과 설계 기회는 확대하며, 비용과 리드 타임은 줄일 수 있습니다. 

TU Berlin 및 DeltaWing Manufacturing과의 사례 연구를 통해 본 백서에서는 금형 및 패턴의 신속 제작을 통해 복합 제조에서 3D 프린팅 기술을 활용할 수 있는 세 가지 워크플로를 제시합니다.