Formlabs에서 Fuse 1+ 30W 선택적 레이저 소결 방식 (SLS) 3D 프린터용 Nylon 11 CF Powder를 선보입니다. 당사 라이브러리에 편입되는 최초의 탄소 섬유 강화 재료인 Nylon 11 CF Powder를 사용하면, 제조업체는 기존의 오버레이 또는 가공 방법에 의존할 필요 없이 뛰어난 내마모성과 강도를 갖춘 가볍고 열에 강한 부품을 제작할 수 있습니다.
Nylon 11 CF Powder는 높은 열변형 온도, 인장 탄성계수 및 우수한 강성 덕분에 다음과 같은 용도에 이상적입니다.
- 항공우주산업 외부 케이싱, 지그 및 고정 장치
- 자동차 시제품, 테스트 고정 장치
- 전기차 케이싱
- 제조 부분 교체 파트
탄소 섬유 강화 부품은 우수한 강도, 내열성, 강성을 갖춘 경량 부품을 필요로 하는 고성능 산업에서 사용됩니다. 탄소 섬유 강화 부품은 이미 널리 사용되고 있지만, 3D 프린터로 제작 가능한 옵션은 소수에 불과하며, Formlabs Fuse 1 시리즈 프린터로 이용 가능한 가격, 품질, 사용 편의성 수준은 지금껏 존재하지 않았습니다.
탄소 섬유란 무엇인가?
탄소 섬유는 일반적으로 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 또는 목재 컴포넌트 등의 원료를 고온 열처리함으로써 재료의 비탄소 성분을 효과적으로 '연소'시키는 산업 공정을 통해 생산됩니다. 이런 공정을 거치면 거의 완벽한 탄소 결정 구조가 나오는데, 탄소 섬유는 이러한 탄소 결정 구조를 길게 짜서 생산한 섬유를 가리킵니다. 탄소 섬유는 레진에 첨가하여 성형 가능한 시트를 만들거나, 직물로 짜거나, 파우더에 첨가하여 3D 프린터로 소결 또는 결합이 가능합니다.
탄소 섬유 강화 플라스틱과 같은 복합 소재는 강철, 목재 또는 알루미늄 등의 소재로 기계 가공된 기존 부품보다 뛰어난 성능을 보여주기도 합니다. 탄소 섬유는 기본 재료의 강도를 강화하는 데 반해 무게를 많이 더하지는 않으므로 탄소 섬유 복합 소재는 단일 소재보다 훨씬 뛰어난 강도를 지니면서도 가볍습니다. 이러한 특성 덕분에 탄소 섬유는 경량화가 중시되는 차량 덕트, 매니폴드, 엔진 흡기관, 항공 우주 케이싱, 고성능 스포츠 장비 및 보트 제조 분야에 많이 사용됩니다. 전기차, 풍력 터빈 및 기타 새롭게 부상하는 지속 가능성 산업 부문 역시 효율성을 높이기 위해 고강도와 초경량이라는 탄소 섬유 부품의 특성을 적극 활용하고 있습니다.
전통적 방식의 탄소 섬유 강화 부품 제조법
탄소 섬유 부품을 제작하는 가장 일반적인 방식은 습식 레이업(wet lay-up), 프리프레그 적층(prepreg lamination), 레진 트랜스펄 모델링(resin transfer molding, RTM)입니다. 이러한 방법에는 모두 금형이 필요하며, 해당 작업들은 많은 노동력을 필요로 합니다.
금형 자체는 3D 프린팅 기술을 통해 저렴하게 만들 수 있으며, 이러한 워크플로를 통해 중소 제조업체도 기존 방식보다 훨씬 저렴한 비용으로 최종 사용 탄소 섬유 부품을 제작할 수 있게 되었습니다. 하지만 3D 프린터로 제작한 금형을 사용할지라도, 제작 가능한 부품량 및 기하학 구조에는 한계가 존재합니다. 내부 도관이 있는 부품, 오목/볼록한 세부 특성이 있는 부품 또는 수십 개에서 수백 개에 이르는 생산 공정의 경우, 제작이 까다롭고 많은 시간이 소요됩니다.
3D 프린팅 금형을 사용한 탄소 섬유 부품 제조
탄소 섬유 부품의 제작을 위한 프리프레그 및 핸드 라미네이팅 방법에 대한 단계별 지침과 복합 몰드 설계 지침을 확인하려면 본 백서를 다운로드하세요.
직접 3D 프린팅한 Nylon 11 탄소 섬유 강화 부품
최근에는 분말화된 탄소 섬유 입자와 나일론 입자와 같은 일반적인 SLS 재료를 결합하는 재료 과학 기술이 발전되고, 더욱 강화된 소결 기능이 도입되면서 탄소 섬유 강화 부품을 3D 프린터로 직접 제작할 수 있습니다.
물론 대부분의 3D 프린팅 응용 분야와 마찬가지로 3D 프린터로 탄소 섬유 강화 부품을 직접 제작하는 방식은 기존의 탄소 섬유 부품 제작 방식을 완전히 대체하는 것이 아닌, 일종의 보완적인 제조 접근 방식입니다. Nylon 11 CF Powder를 재료로 3D 프린팅한 부품은 기존의 탄소 섬유 부품에 비해 극한 인장 강도(UTS)가 높지는 않지만 강화 공정을 거치지 않은 폴리머 부품에 비해 훨씬 향상된 강도와 강성을 가집니다. Fuse 1+ 30W 프린터는 부품 제작 시 기하학적 구조 문제를 해결하고 전통적인 생산 방식보다 적은 노동력으로 신속한 제작이 가능하며, 부담스럽지 않은 장비 면적(footprint)을 차지하며 간소화된 워크플로를 가집니다. 이 때문에 Fuse 1+ 30W 프린터는 탄소 섬유 강화 부품을 3D 프린팅하는 데 있어 여러 이점을 제공합니다.
이러한 적층 제조 방식은 전통적인 금형 제조 공정과 달리 기하학적 구조에 제약받지 않으며, SLS 프린터에 자체적으로 지지되는 프린팅 베드가 있어 설계 측면에서도 제약이 적습니다. 지금까지 이와 같은 탄소 섬유 강화 부품 제작 방식이 널리 채택되지 못한 것은 높은 가격 때문이었습니다. 탄소 섬유 강화 부품을 프린팅할 수 있는 대부분의 3D 프린팅 기술은 높은 초기 비용을 필요로 합니다.
하지만 Fuse 1+ 30W SLS 프린터는 고비용으로 인한 진입 장벽을 없앰으로써 우수한 성능과 정확도를 갖춘 견고한 탄소 섬유 강화 부품을 합리적인 가격에 생산할 수 있는 솔루션을 제공합니다. 대부분의 산업용 3D 프린팅 솔루션에 비해 Fuse 1+ 30W는 적은 비용과 시갖으로 탄소 섬유 부품을 제작할 수 있습니다. Nylon 11 CF Powder는 Fuse 1+ 30W 프린터에서만 사용할 수 있으며, 안정적이고 일관성 있는 부품 제작을 위해 Fuse 1+ 30W 모델과 함께 검증되었습니다.
고기능 부품 제작에 최적
Nylon 11 CF Powder는 인하우스에서 자체적으로 금속 교체 파트를 생산하고자 하는 제조업체에서 가장 우선적으로 고려해야 할 재료입니다. 장비 고장으로 인한 수리 시, OEM 또는 예비 부품 공급업체의 솔루션을 기다리는 동안 가동 중단에 따른 수천 달러의 손실이 발생할 수 있습니다. 근래 들어 3D 프린터로 교체 파트를 제작하는 방식이 도입되고 있는 가운데, 많은 기업들이 이러한 솔루션에 투자하기에 앞서 적절한 재료가 시판되기를 기다려 왔습니다. 금속 교체 파트를 제작하는 데 Nylon 11 CF Powder를 사용하지 않는다고 해도, Nylon 11 CF Powder는 변형이나 파손 없이 뜨거운 금속 부품을 고정할 수 있는 벤치 워크툴링 부품의 제작에 이상적입니다.
| 파단신율, X(%) | Nylon 11 CF Powder | Nylon 12 GF Powder | Nylon 12 Powder | Nylon 11 Powder |
|---|---|---|---|---|
| 파단신율, X(%) | 69 | 38 | 50 | 49 |
| 파단신율, X(%) | 52 | 38 | 50 | 49 |
| 파단신율, X(%) | 38 | 38 | 50 | 49 |
| 파단신율, X(%) | 6500 | 2800 | 1850 | 1600 |
| 파단신율, X(%) | 9 | 4 | 11 | 40 |
| 파단신율, Y(%) | 15 | 4 | 11 | 40 |
| 파단신율, Z(%) | 5 | 3 | 6 | N/A |
| 노치 아이조드 충격강도(J/m) | 74 | 36 | 32 | 71 |
| 열변형 온도 @ 1.8 MPa (°C) | 178 | 113 | 87 | 46 |
| 열변형 온도 @ 0.45MPa (°C) | 188 | 170 | 171 | 182 |
새로운 기능성 재료인 Nylon 11 CF Powder는 우수한 강성, 내충격성을 갖춘 경량 소재이기 때문에 생산 라인의 지그, 고정 장치, 툴링의 제작에 이상적입니다. Nylon 11 CF Powder는 금속 대체 부품 제작뿐 아니라, 변형이나 파손 없이 뜨거운 금속 부품을 고정할 수 있는 벤치 워크툴링 부품의 제작에 최적입니다.
드론 제조와 같은 항공우주 및 비행 응용 분야에 사용되는 최종 부품 제작 시에도 새로운 Nylon 11 CF Powder의 우수한 내열성과 내충격성을 활용할 수 있습니다. 드론을 비롯한 공중 운송 기기는 구름 위를 비행할 때 태양열로 인해 또는 연료 공급 방식으로 인해 고온에 노출됩니다. 배터리로 구동되는 드론은 뜨거운 배터리로부터 컴포넌트를 보호하기 위해 내열 케이스를 필요로 하며, 항공유로 구동되는 항공기 역시 연소 엔진 부품에서 나오는 높은 열에 노출됩니다.
최대 강도를 위한 부품 배치 방향 조정
Nylon 11 CF Powder로 제작하는 부품은 탄소 섬유로부터 높은 인장 강도를 얻기 때문에 프린팅 시 부품의 배치 방향을 고려해야 합니다.
Fuse 1+ 30W 프린터 내의 리코터(recoater, 파우더 도포기) 는 탄소 섬유를 X축에 맞춰 세로로 배치하는 경향이 있습니다. 그 결과, 부품의 극한 인장 강도(UTS)는 X축 방향에서 가장 크게 향상됩니다. UTS는 Z축에서 38MPa, X축에서 69MPa입니다. 프린팅한 부품 강도를 최적화하려면 사용자는 X축을 따라 발생하는 의도된 응력으로 부품 방향을 지정해야 합니다.
탄소 섬유의 강도를 최대화하기 위해 X축을 따라 의도된 응력으로 부품을 배치합니다.
최고의 안정성을 위해 프린터와 재료를 함께 검증
새로운 Fuse 1+ 30W 프린터에서 새로 출시된 고기능 재료인 Nylon 11 CF Powder를 안정적으로 사용할 수 있도록 기기와 재료 둘 다에 대해 검증 작업을 진행했습니다. Nylon 11 CF Powder는 Formlabs에서 출시한 첫 번째 탄소 섬유 강화 재료입니다. 하지만 이미 최고 성능을 자랑하는 Rigid 10K Resin 및 Nylon 12 GF Powder와 같은 기존 충전 재료를 통해 자동차, 항공 우주, 제조 산업 부문에서 새로운 활용 가능성을 제시했었습니다.
Fuse 1+ 30W SLS 프린터와 질소 생성기는 워크플로를 간소화하기 위해 함께 짝을 이룹니다.
새로운 Fuse 1+ 30W 프린터에는 빌드 챔버에 안정적인 비활성 가스 환경을 조성하는 질소 공급 기능으로 프린트할 수 있는 옵션이 포함되어 있습니다. 이러한 비활성 가스 환경에서는 Nylon 11 CF Powder로 산화 위험 없이 부품을 제작할 수 있고, 부품 주변의 소결되지 않은 파우더 품질을 보존할 수 있으므로 리프레시 비율(refresh rate, 프린팅에 필요한 새 파우더의 최소 비율)과 비용 효율성을 높일 수 있습니다.
질소 환경에서 Nylon 11 CF Powder는 30%의 리프레시 비율을 얻을 수 있습니다. 즉, 새 빌드 챔버에 신규 또는 새 파우더를 30%만 채우고, 나머지는 이전 작업에서 재활용된 파우더를 사용할 수 있습니다. 이러한 워크플로는 재료 비용을 절감하며 작업 공간과 주변 환경을 청결하게 유지하며 낭비를 줄일 수 있는 '제로 웨이스트(zero waste) 프린팅으로 이어질 수 있습니다.
Nylon 11 CF Powder는 워크플로에 쉽게 통합될 수 있으며 Nylon 11 Powder에서 Nylon 11 CF Powder로 전환할 때 청소에 소요되는 시간은 2~3시간에 불과합니다. (이는 기존의 다른 선택적 레이저 소결 방식 기기에서 재료를 교체할 때 꼬박 며칠이 걸리는 것과 크게 다른 점입니다.) 이처럼 여러 재료를 용도에 맞게 간편히 활용할 수 있는 기능을 통해 사용자는 고부가가치 업무에 집중할 수 있습니다.
Fuse Sift를 새 체(sieve)로 업그레이드하면 다른 SLS 재료와 동일한 프린팅 및 후가공 워크플로를 활용할 수 있습니다.
선택적 레이저 소결 방식 인하우스 도입이 갖는 장점
현재 프로토타이핑, 최종 사용 부품, 교체/수리 부품, 제조 보조 도구 등 광범위한 응용 분야를 위해 공급업체로부터 선택적 레이저 소결 방식으로 제작한 부품을 조달하는 제조업체가 많이 있습니다. 이러한 생산 능력을 사내에서 구현하려면 투자를 정당화할 수 있을 만큼 (종종 여러 응용 그룹에 걸쳐 있는) 인하우스에서 생산할 부품량이 많아야 합니다.
이번 출시로 Formlabs SLS 파우더 시리즈에 한 가지 재료가 더 추가되었지만, Nylon 11 CF Powder는 특히나 광범위한 응용 가능성을 지니고 있어 기대가 큽니다. 제조업체는 선택적 레이저 소결 방식 프린터를 사용해 뛰어난 내열성, 내충격성, 고강도 특성을 갖춘 부품을 안정적으로 제작할 수 있어야 하는데, Nylon 11 CF Powder는 이런 요건을 충족합니다. Fuse 1+ 30 프린터에 새로운 워크플로를 비용 효율적이며 간편하게 통합, 유지 및 관리할 수 있습니다.
주의: Nylon 11 CF Powder의 경우, 피부나 점막 접촉 시 자극을 유발할 수 있습니다. Formlabs에서는 개인 보호 장비(PPE)의 사용을 권장합니다. Formlabs 소재 안전 주의 사항 및 취급 방법과 관련한 내용은 항상 물질안전 보건자료(SDS) 및 고객지원 게시글을 참조하시기 바랍니다.
