마크포지드, 탄소섬유 복합재료·고성능 복합기능으로 제조 혁신

▲ 마크포지드 섬유 복합소재 3D프린팅으로 제작한 보스턴 다이나믹스 로봇 부품

기술의 발전, 산업의 진보에 따라 저밀도, 고강도, 저마모, 고충격저항, 내식성, 낮은 열팽창계수, 높은 열전도성 및 전기전도성 등의 고기능성을 요구하거나 상충되는 고기능들을 복합적으로 요구하는 첨단 신소재에 대한 수요가 증가하고 있다.

고분자, 금속, 세라믹 등의 다양한 소재는 소재 본연의 특징에 따라 내열성을 높이다 보면 취성이 높아지고, 강성을 높이다보면 비중이 높아져서 중량이 증가한다. 또한, 열전도도 및 전기 전도도를 향상시키려다 보면 열 팽창율이 증가한다. 이처럼 특정 물성을 강화하다가는 부작용도 함께 강화되거나 보유하고 있는 특수 성능을 상쇄하는 경향이 있다.

복합소재는 소재 본연의 장점을 살리고 특수 성능을 발휘시킬 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 제조업 기술 고도화에 따라 부품들의 복합성능 강화가 요구되면서 기존 합금, 고분자 등을 대신해 복합소재의 활용이 확장되고 있는 추세다.

▲ 백소령 마크포지드 코리아 지사장(Michelle.Baek@markforged.com)

복합재료는 2개 이상의 재료의 장점을 복합하여 모재가 되는 기지 소재에 강화소재를 통한 소재 성능을 보강하는 새로운 가공 방식을 제공하고 있다. 복합재료는 성형 부품 상에 전위변형을 강화하여 부품의 성능을 강화하는 역할을 수행한다.

이러한 이유로 강화 소재는 첨가된 강화소재의 종횡비에 따라 강화 효과가 커서 보강재 중에서도 장섬유를 이용한 복합소재의 경우가 최고성능을 구현하는 복합재료로 제조산업군에서 활용 영역이 빠르게 성장하고 있다.

플라스틱 소재는 금속 대비 압도적으로 가벼워 경량화 소재로 활용되고 있지만, 탄성, 응력, 인장력, 크립 저항성, 충격 저항성이 금속 대비 낮다. 그러나 플라스틱 소재를 기지상으로 섬유를 보강제로 조성한 복합소재는 탄성, 응력, 인장력, 크립 저항성, 열 및 전기전도도가 향상되기 때문에 강력한 경량화 구조체 및 기능성 성형소재로 탈바꿈한다.

현재 섬유 복합소재의 성형 공법의 경우 대표적으로 탄소섬유강화 플라스틱(CFRP)/(유리섬유강화 플라스틱(GFRP) 공법이 있다. 금형을 제작하고 해당 금형에 프리프레그먼트 필름인 직조 장섬유 또는 토우라고 불리우는 단섬유를 배치하면서 겹겹이 레진과 섬유를 교차 충진하여1차 성형성을 제작한다. 이후 진공 압착 작업 후 고온 고압의 오토크레버에 수 시간 ~ 수 십시간을 열처리하여 부품을 생산하는 복잡한 가공의 단계를 거쳐 제작한다.

이러한 이유로 섬유소재의 장점에도 불구하고 대량 생산이 어려워 우주, 항공, 에너지·발전, 슈퍼카 및 포뮬러 자동차, 선박 등의 일부 고부가가치 부품 제작에 활용되고 있으며 그 성형 대상도 단순 형상의 하우징 구조물에 국한되어 있다. 튜브 또는 탱크 타입의 성형체의 경우, 미크론(1mm의 1/1000) 단위의 장섬유를 꼬아서 함침 경화 후, 몰드의 외부를 여러 겹으로 겹겹이 감아주고 고온·고압 가공하는 방식으로 생산되고 있다.

■마크포지드, 장섬유 복합소재 적층제조 통해 고성능·복합기능 부여

섬유 복합소재가 가지고 있는 탁월한 초고·비강도, 초경량화, 초고강성·인성 및 열적 전기적 특성 강화라는 장점에도 불구하고 상용화된 성형공정이 상술한 바와 같이 복잡하고 생산성이 낮아서 일반적으로 단순 형상의 하우징, 동체, 단순 구조체, 탱크 및 튜브 등의 성형에 국한된 것이 현실이다.

그러나 이러한 복합소재를 적층제조라는 공정을 활용함으로써 전자부품, 기계 부품 및 지그, 픽스쳐, 로봇 암 등의 생산 툴을 포함하는 보다 복잡한 성형체 가공이 가능해졌다.

마크포지드는 성형제어에 따라 래티스·솔리드 등의 폴리머 기지 상에 수 미크론 직경의 꼬임 장섬유 보강제 다발을 선택적 배치해 포징하는 방법으로 하우징 성형물 뿐만 아니라 복잡한 형상의 3차원 구조체·기계부품을 섬유 복합소재로 프린팅하는 기술을 개발 공급하고 있다.

▲ 섬유(탄소섬유,케블라섬유,고온고강 강화유리 섬유) 복합소재+오닉스(격자 강성구조)의 선택적 영역 배향을 통한 성능 최적화 성형 샘플.

마크포지드는 탄소섬유 복합소재 이외에도 초고강성 케블라섬유, 고강·고온 강화유리섬유 등을 탄소섬유 복합재료처럼 선택적 배향을 통해 사용 목적에 따른 고성능 복합기능 설계를 지원한다. 또한 실리콘처럼 부드러운 TPU 탄성 소재를 포함, 전자파 차단(ESD) 기능 소재, FAA 항공 인증 항공 소재인 ULTEM, 블루(Blue) 카드 인증 난연 소재 등 인증 복합재료 역시 공급하고 있다.

상기의 소재들은 단일 소재로 성형물을 가공하거나, 오닉스 또는 울템과 같은 열가소성 소재와 혼용하여 선택적으로 기능을 강화하는 영역에 장섬유인 탄소섬유를 포징하는 방법으로 효율성이 높은 고성능 및 복합 기능의 성형체를 기능성 시제품 및 생산 제품으로 제작할 수 있다.

특정부위 성능 향상 설계 가능, 전자부품·지그·로봇 암 등 복잡한 성형체 생산 확대

마크포지드, 사용 목적 맞춤 고강도·탄성·ESD·항공 인증·난연 소재 등 복합소재 공급

■탄소섬유 복합소재와 탄소입자 강화 복합소재의 하이브리드 배향을 통한 고성능·복합 기능 설계

탄소는 다양한 동소체로 존재하여 그 원소배열과 배향에 따라 첨단 전자소재로서 희토류 소재의 일정 역할을 대체할 것으로 기대된다. 그리고 첨단 경량화 구조체 소재로 금속 소재의 일정 역할을 대체할 것으로 전망되어 활발한 연구와 적용이 진행 중이다.

제조기술의 혁신을 리드하는 테슬라의 경우, 자동차 모터를 자성 소재에서 탄소 블레이드로 변경하여 제로백을 3초에서 1.9초로 향상시켰고, 보잉의 드림라이너. 에어버스 380, BMW 7 등의 동체들 또한 탄소섬유 복합소재의 사용으로 구조체의 비강도를 높이는 등 신소재를 통한 제조혁신을 선도하고 있다. GM 및 토요타 등의 자동차업계도 탄소 섬유소재를 활용한 비강도 향상으로 차량 경량화에 대응하고 있다.

마크포지드 하기 그림에서 보는 것과 같이 미크론 단위의 탄소섬유 수 백 가닥을 꼬아서 폴리머 기지 상에 조합하여 장섬유 탄소 원사를 개발하고, 장섬유 탄소 원사를 포징하는 방식으로 부품을 적층제조한다.

▲ 탄소소재의 공법별 시편을 이용한 인장강도 비교 테스트. 1) 알루미늄 주조 시편 2) 직조 CFRP 시편 3) CF+레진 사출 및 후경화 시편 4) 탄소섬유 복합재료 선택적 강화 3D프린팅 시편 5) 탄소입자 복합소재 3D프린팅 시편

탄소는 금속 대비 매우 가벼우면서도 섬유조직으로 구조체의 일부를 선택적 성형하는 경우 주조성형한 알루미늄만큼 강한 인장강도를 나타내는 것을 상기 실험 결과로 확인할 수 있다.

탄소섬유 복합재료 적층제조의 경우 전체 성형체를 탄소섬유 원사 위주로 성형하는 것도 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, 특정 부위는 섬유강화 복합소재로 강성, 인장력, 크립 저항 강도를 높이는 방식으로 최적의 부품 성능을 설계해 생산할 수 있다.

이는 마크포지드의 슬라이싱 및 이종 소재의 성형 조건 최적화, 사전/실시간/사후 품질 관리 소프트웨어 플랫폼인 ‘아이거(EIGER)’ 소프트웨어를 통해 선택적 배열 설계 작업을 수행하고, 실시간으로 측정된 3D 레이저 스캔 데이터를 노미널 데이터인 CAD 데이터와 비교를 통해 품질 관리를 지원하는 ‘블랙 스미스(BLACK SMITH) 소프트웨어를 통해 물성 정도를 시뮬레이션해 보면서 성능 설계 작업이 가능하다. 또한 아이거 소프트웨어 상에서 DfAM(적층제조특화설계) 방식으로 샌드위치 구조, 격자 구조 등의 기하 형상을 도입한 성능 설계 또한 가능하다.

■항공우주·방산 등 기능성 설계 목적으로 탄소섬유 복합소재 사용

탄소섬유 복합소재는 경량화 목적의 비강성 구조체 이외에도 열·전기 전도성이 높은 반면 상대적으로 열 팽창율이 낮아 고기능성 복합성능을 구현하는 소재로도 활용된다.

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

▲ 미국의 육·해·공군 및 해병대는 작전 및 훈련상 이동 시 운송 장비에 마크포지드의 필드지원 특수 3D프린터(필드 에디션 3D프린터)를 싣고 다니면서 MRO 부품제작 솔루션으로 활용하고 있다.

테슬라 및 보스턴 다이나믹스 등의 로봇, 드론, 전기차 산업군에서도 탄소섬유 복합소재를 이용한 적층제조를 활용하고 있다.

▲ 마크포지드 섬유 복합소재 3D프린팅-보스턴 다이나믹스 로봇 부품

섬유 복합재료는 적층제조기술로 공법이 확장되면서 동체, 하우징이상의 복잡한 기계부품 생산이 가능하게 되어 협동로봇, 휴머노이드 로봇 부품 및 자동화를 위한 EOAT(End of Arm Tooling) 로봇 부품과 몰드/다이의 생산 툴 및 지그 픽스쳐 등의 다양한 부품 생산으로 그 활용영역을 확대해 나가고 있다.

▲ 마크포지드의 적층제조 솔루션으로 로봇 및 생산자동화에 필요한 EOAT, 몰드, 다이, 치공구, 지그 및 픽스쳐 등 생산툴 부품을 생산하고 있다.

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

▲ 마크포지드가 오닉스 ESD 소재로 적층제조한 전자부품용 하우징, 툴, 픽스쳐(左)와 탄소섬유를 적층제조한 테슬라의 터빈 하우징.

세계적인 풍력·해상 발전용 터빈 블레이드 제작, 설치 및 메인터스를 수행하는 베스타스(VESTAS)는 탄소복합소재, 구리 및 공구강 소재 3D프린팅 기술을 활용해서 터빈 블레이드 개발, 제작 및 품질 관리 등에 필요한 지그 픽스쳐를 제작하고 있다. 또한, 아이거플릿 소프트웨어를 이용한 설계 데이터의 글로벌 통합 운영 지원 관리와 블랙 스미스 소프트웨어를 이용한 품질 검수 관리 등 전 공정에 마크포지드의 디지털 포징 솔루션을 적용하고 있다.

이처럼 글로벌 제조기업들은 마크포지드의 섬유 복합소재 적층제조기술을 활용해 고기능성 부품 제작에 도전하고 있다. 우리나라에서는 아직 생소한 섬유 복합소재 적층제조기술이 마크포지드를 통해 널리 알려져 제품의 고부가화와 신기능 창출을 지원할 수 있기를 기대한다.

▲ 세계 최대 풍력발전기 회사인 베스타스는 마크포지드의 디지털 포징 토탈 솔루션을 이용해 부품 제작, MRO 및 글로벌 품질 관리 등을 수행 중이다.