기사 메일전송
  • 기사등록 2023-01-11 16:19:59
  • 수정 2023-01-12 17:09:17
기사수정
우리나라 3D프린팅 전문가 단체인 3D프린팅연구조합은 국내 산학연 관계자 23명과 함께 2022년 11월15일부터 18일까지 4일간 독일 프랑크푸르트 메쎄에서 열린 세계 최대 적층제조(3D프린팅) 전문 전시회인 '폼넥스트(FORMNEXT) 2022'를 참관하고 전자빔으로 항공우주부품을 제조하는 현지 업체인 ‘Evobeam’을 견학했다.
올해로 8회째를 맞는 폼넥스트는 이번 전시회에서 코로나 팬데믹 이전의 규모를 회복하며 전시업체와 방문객들로부터 뜨거운 반응을 얻었다. 이번 폼넥스트를 방문한 한 관계자는 이번 전시회의 특징이 복합 소재·출력물 대형화·AI-based Quality Control 등을 이용한 금속 부품의 양산을 위한 상용화 수준으로 도약했다고 요약했다.
이처럼 세계 선진기업들이 다가올 적층 제조 양산시대에 맞춰 경제성과 완성도를 모두 갖춘 기술개발과 플랫폼 확장 속도경쟁에 돌입한 상황에서 우리나라도 제조업 경쟁력 강화 및 新산업 창출을 위해 적층 제조 산업의 보다 많은 관심과 투자가 요구된다.
이에 본지는 이번 참관단을 구성한 3D프린팅연구조합과 산학연 전문가들의 연재기고를 통해 전시회 현장의 바탕으로 적층제조 시대의 기술 및 어플리케이션 발전 방향은 어디이고 우리가 어떻게 대응해야 할 것인지 생각해보는 자리를 마련했다.

섬유 강화 복합재 적층제조, 대형화·소재다양화 통한 부품생산 솔루션 발전


◇연재순서
1)전시회 총괄평가
2)적층제조 장비
3)금속분말 적층제조 소재
4)폴리머 적층제조 소재
5)메디컬 적층제조 응용분야
6)미래모빌리티 적층제조 응용분야
7)탄소섬유 적층제조 응용분야
8)좌담회-청년이 적층제조 미래를 이야기하다

섬유 강화 고분자 복합재료(Fiber Reinforced Materials)는 두가지 이상의 소재를 조합하여 결합시킨 복합재료로 합금 혹은 화합물과는 다르게 각각의 재료가 거시적으로 구조와 특성을 유지하면서 계면을 형성하기 때문에 각 재료의 단점을 보완한 재료 간 상승효과(Synergy Effect)를 극대화할 수 있는 소재로 주목받고 있다.


섬유 강화 고분자 복합재료는 다양한 산업에서 요구되는 기계적·기능적 특성을 구현하기 위한 효율적인 방법으로 고분자 기지재를 베이스로 탄소섬유, 유리섬유, 나노입자 등을 강화재로 첨가하여 고강도, 고강성, 경량화 등을 위해 사용되고 있으며 적층제조(Additive Manufacturing) 분야에까지 확장되어 연구되고 있다.

필자가 느낀 폼넥스트(FORMNEXT) 2022에서 살펴본 AM 시장에서의 섬유 강화 고분자 복합재료에 대한 트렌드 키워드는 △복합재료 프린팅 장비의 하이브리드화 △소재 부품의 경량화 및 대형화 △소재의 다양화 및 기술고도화 △인공지능 소프트웨어 기술의 발전 △소재 리싸이클링 등이 있다.

이에 본 기고에서는 세계 최대 적층 제조 전문 전시회 FORMNEXT 2022에서 선보인 섬유 강화 고분자 복합재료의 동향과 응용 사례에 대해 살펴보고자 한다.

첫 번째로 적층기술과 절삭기술을 복합한 하이브리드 장비의 상품화와 시제품 제조를 뛰어넘는 고기능·복합성능 제조기술 개발이다. 3D시스템즈, CEAD, CMS, Briton, 프라운호퍼(Fraunhofer), industry 등은 대형 복합소재 적층 기술과 함께 필라멘트의 원자재인 펠릿을 3D프린터에 직접 공급함으로써 기존 필라멘트 가공 단계를 줄여 원료비용을 절감하고 있다.

이들은 원료 수급비용을 낮춰 복합소재를 상업적으로 이용하고 있으며 사용자가 펠릿 원료를 다루기 쉽다는 점을 강조하였다. 하지만 적층 공정에서 펠릿을 원활히 스크류 안으로 밀어줘야 하기 때문에 압출 불안전성과 품질에 대한 우려가 제기된다. 압출 불안전성에 대한 방안으로 5축 가공기를 적용한 적층 및 절삭 하이브리드 공정을 채택하고 제품을 후가공하여 제품에서 요구되는 정밀도를 확보하려는 의도가 보였다.

▲ DAHLTRAM社의 Chopped CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) (사진:한국탄소산업진흥원 국호형 선임)



주로 섬유 강화 고분자 복합재료가 각광받고 있는 자동차, 항공, 우주 산업에서의 대형물에 대한 요구에 맞춰 장비개발이 이루어지고 있는 것으로 보였다. Innse BERARDI의 MasterPrint는 Chopped FRP와 Fiber Continuous Filament를 재료로 하이브리드 공정을 통해 빠르고 안정적인 제품을 제작하고 있으며 해당 공정을 통해 제조비용의 최대 75%까지 절감할 수 있어 섬유 강화 고분자 복합재료를 적용한 하이브리드 장비가 AM 시장 내에서 더욱 각광받을 것으로 예상된다.

▲ CMS社의 복합소재 하이브리드 장비 (사진:한국탄소산업진흥원 국호형 선임)



두 번째는 고효율·고성능으로의 패러다임 변화에 따른 부품 경량화와 대형화 추세에 대한 대응이다. 성형용 몰드, 지그, 치공구 뿐만 아니라 자동차, 항공, 조선 등 대형 경량 부품 제작을 위해 섬유 강화 고분자 복합재료가 사용되고 있다.

CEAD가 선보인 프리프레그/오토클레이브용 몰드는 동일 좌표계에서 적층공정과 절삭공정을 결합한 옵션을 Flexbot 시스템에서 제공하여 CAD 모델링, CAM 프로그래밍, 3D프린팅, 절삭가공에 이르기까지 일주일 이내에 생산 가능함을 보였다. 부품 경량화와 대형화 추세에 맞춰제품 제작 기간을 줄여 생산성을 높이려는 시도가 계속되고 있다.

▲ CEAD社의 하이브리드 공정으로 제작된 프리프레그/오토클레이브용 몰드 (사진:한국탄소산업진흥원 국호형 선임)



스트라타시스(Stratasys)는 유리섬유로 강화된 고분자 복합재료 Covestro Addigy의 PA6/66-GF FR LS로 제작한 여객 열차 팔걸이와 핸들그립을 선보였으며 유럽과 북미 철도 안전 표준을 충족하여 제품 상용화에 대한 기술을 확보하였음을 소개했다.

▲ Stratasys社의 유리섬유 강화 고분자 복합재료로 제작된 여객 열차 팔걸이와 핸들 그립 (사진:한국탄소산업진흥원 국호형 선임)



Innse BERARDI는 하이브리드 장비에 CFRP 펠릿을 사용하여 유지보수 비용과 손실 비용을 줄이고 생산효율성을 증대시킨 유체 유동 테스트를 위한 길이 7m에 해당하는 선박 모델을 소개했다. 소재 부품의 경량화 및 대형화를 위해 다양한 분야에서 섬유 강화 고분자 복합재료가 사용되고 있으며 다품종 소량생산을 위한 상용화 단계에 들어섰다는 느낌을 받았다.

▲ INNSE BERARDI社의 유체 유동 테스트를 위한 길이 7m의 CFRP 선박 모델 (사진:한국탄소산업진흥원 국호형 선임)



세 번째로 기능에 따른 다양한 소재 옵션 제공이다. 과거 PLA, ABS에 가까운 물성을 가지고 시제품 제작에 주로 사용되던 3D프린팅 소재는 다양화된 산업화 요구에 맞게 고기능성 소재들로 진화하고 있다. 다양한 산업에서 요구되는 기계적·기능적 특성을 구현하기 위해 고분자 폴리머를 기지재로 장섬유, 단섬유, 나노입자 등을 강화재로 활용하고 있으며 목재섬유와 폴리머의 복합재료로 이루어진 바이오 복합소재도 활용되고 있다.

마크포지드(Markforged)는 △나일론(Nylon) 베이스에 탄소섬유(Carbon Fiber) 알갱이가 첨가한 필라멘트인 Onyx △섬유 강화 플라스틱에 가장 많이 사용되는 섬유로 일반적으로 가늘고 길게 만든 인조섬유인 Fiberglass △일반 유리소재에 비해 강도가 더욱 높고 AL-6060-T-6와 유사한 우수한 내열성을 갖는 HSHT Glass △매우 가볍고 변형이 잘 되지 않는 Carbon Fiber △폴리아마이드 섬유로 강도, 탄성, 진동 흡수력이 뛰어나 보강재 방탄재로 사용되는 케블라(Keval) 복합소재 제공을 통해 사용하는 용도와 기능에 맞는 소재를 선택하여 사용할 수 있도록 공급하고 있다.

▲ Markforged社의 섬유(탄소섬유, 케블라섬유, 고온고강 강화유리 섬유, 유리섬유)강화 복합소재 성형 샘플 (사진:한국탄소산업진흥원 국호형 선임)



車·항공·우주 등 경량 대형 부품 수요↑, 펠릿·하이브리드 등 생산성 향상 노력
新기술·시장 선도 위한 실증·제조 인프라·공정·소재 등 기술 표준 확립 중요

Industry는 PA, PP, ABS등 폴리머에 목재섬유를 첨가하여 만든 바이오 복합소재를 선보였다. 침엽수 목재칩을 사용해 제조되는 StoraEnso의 DuraSense는 최대 80% 이산화탄소 및 온실가스 저감효과와 함께 50% 이상 플라스틱 사용량 절감효과가 있어 기존 플라스틱만큼의 우수한 가격 경쟁력을 제공하고 있음을 강조했다. 친환경 소재 사용으로 환경오염 완화에 기여하고 목재 자체의 자연스러운 느낌을 그대로 표현한 것을 특징적인 판매 포인트로 내세운 것이 인상 깊었다.

▲ Industry社의 바이오 복합소재 및 성형 샘플 (사진:한국탄소산업진흥원 국호형 선임)



네 번째로 통합 솔루션 개발 지속과 특화 기술 보유를 통한 인공지능 소프트웨어의 발전이다. 섬유 강화 고분자 복합소재 사용을 위해 개발된 장비들은 사용자 친화적 디스플레이를 통해 매우 친숙한 느낌과 편의성 제공을 위해 노력하고 있으며 오픈 소스를 차용해 소프트웨어 개발 비용을 낮추려는 모습을 보였다.

생산성 향상과 신뢰성 확보를 위해 다양한 소재를 사용하고 후가공할 수 있는 하드웨어-소프트웨어적 진보와 열 비전 카메라를 통한 실시간 모니터링, 고속 출력을 위한 연속출력 등 고기능 소재의 실시간 품질관리를 통해 상용화 부품 생산 솔루션에 초점을 두고 있다는 점이 눈에 띄었다.

이처럼 섬유 강화 고분자 복합소재 적층 제조는 3D프린팅의 한 분야에서 벗어나 제조 산업의 일부로 빠르게 자리잡고 있으며 장비 외에도 소프트웨어, 소재 등 함께 발전해야 할 부분이 많은 산업으로 앞으로 개발해야 할 분야가 무궁무진하다는 것을 느낄 수 있었다.

Markforged의 AI 소프트웨어 아이거, 블랙스미스와 같이 성형제어를 통해 제품의 강도를 예측하고 부품생산 공정의 반복성과 정확성을 확보할 수 있는 솔루션이 AM시장에서 더욱 각광받는 기술이 될 것으로 사료된다.

마지막으로 21세기 인류의 가장 큰 숙제로 떠오른 ‘탄소중립’ 친환경을 위한 발걸음이 세계 곳곳에서 이어지고 있는 가운데 AM시장에서도 자원순환 패러다임에 집중해야 할 것이라는 생각이다. 소비된 제품을 재활용해 자원을 만들고 이 자원을 통해 또 다른 제품을 만듦으로써 생산 과정에서의 오염물질을 최소화하기 위한 친환경 공정 개발, 원료의 재활용 확대가 필요할 것으로 보인다.

FORMNEXT 2022 참관을 통해 3D프린팅 기술의 적용범위가 전방위적으로 다양한 산업에 확산되고 있음을 느꼈다. 미래 섬유 강화 고분자 복합재료 3D프린팅 산업과 시장을 선도하기 위해서는 실증 테스트, 제조 인프라의 규격화 설계, 공정, 소재 등 3D프린팅 플랫폼 개발을 위한 기술 표준 확립이 매우 중요할 것이다.


0
기사수정

다른 곳에 퍼가실 때는 아래 고유 링크 주소를 출처로 사용해주세요.

http://www.amenews.kr/news/view.php?idx=51955
기자프로필
프로필이미지
관련기사
나도 한마디
※ 로그인 후 의견을 등록하시면, 자신의 의견을 관리하실 수 있습니다. 0/1000
마크포지드 9월
프로토텍 11
디지털제조 컨퍼런스 260
이엠엘 260
서울항공화물 260
엔플러스솔루션스 2023
하나에이엠티 직사
린데PLC
아이엠쓰리디 2022
모바일 버전 바로가기