Meet the FX10: The First Industrial Metal and Composite 3D Printer
공정 비교: 복합 재료와 금속
FX10에 대해 설명하기 전에, FX10이 복합 재료와 금속을 출력하기 위해 결합한 두 가지 보완적인 공정에 대해 이야기해보겠습니다: FFF + CFR (연속 섬유 보강)과 금속 FFF입니다.
Markforged의 복합 재료 프린터는 두 가지 공정을 사용합니다: **융합 필라멘트 제작(Fused Filament Fabrication, FFF)**과 **연속 섬유 보강(Continuous Fiber Reinforcement, CFR)**입니다. FFF는 열가소성 필라멘트를 가열하여 노즐을 통해 층층이 압출하여 부품을 만드는 업계 표준 3D 프린팅 공정입니다. CFR은 FFF 공정에 연속 섬유를 추가하여 부품을 보강하는 2차 공정입니다. CFR은 두 번째 압출 시스템을 통해 긴 섬유를 사용하며, 이 섬유가 FFF 내부 채움재를 대체하여 부품을 훨씬 더 강하게 만듭니다(FFF 재료보다 최대 10배 강도 향상).
Markforged는 금속 분말을 사용하지 않고도 금속 부품을 출력할 수 있는 금속 FFF라는 공정을 개발했습니다. 금속 FFF는 세 단계로 이루어져 있습니다:
출력: 특수 FFF 프린터는 폴리머화된 금속 분말로 만든 필라멘트를 출력합니다. 이 필라멘트는 금속 분말을 포함하고 있으며, 출력 중에 폴리머가 녹아 금속 분말과 함께 압출됩니다. 출력된 부품은 필요한 경우 동일한 재료로 된 지지대와 받침을 포함하며, 이들은 두 번째 노즐로 인쇄된 세라믹 방출 재료로 부품과 분리됩니다. 결과적으로 '그린 파트(Green Parts)'는 후속 공정에서 수축을 고려하여 약 20% 크게 출력됩니다.
탈바인딩(Debind): 그린 파트는 탈바인딩 용액에 담가 폴리머 결합 물질을 녹입니다. 탈바인딩 후, 부품은 '브라운 파트(Brown Parts)'로 알려집니다.
소결(Sinter): 브라운 파트는 특수 소성로에서 소결되어 완전한 금속 부품으로 변환됩니다. 출력된 부품은 약 20% 수축합니다.
금속 FFF로 출력된 금속 부품은 근접 형상의 정확성을 가지며, 일반적으로 개방된 셀 구조의 내부 채움재를 가집니다.
기술적 도전과 해결
금속과 복합 재료를 동시에 출력하는 프린터를 개발하려면 하나의 중요한 장애물을 해결해야 했습니다. 바로 폴리머 필라멘트와 초기 금속 필라멘트의 근본적인 불일치였습니다. 폴리머 필라멘트는 단순하지만 물이 노출되지 않도록 밀폐된 경로가 필요합니다. 반면, 초기 금속 필라멘트는 너무 부서져서 특수한 취급이 필요했고, 출력 시에도 필라멘트가 파손되지 않도록 밀폐된 튜브를 사용할 수 없었습니다. 이 문제 때문에 두 가지 기능을 모두 갖춘 기계를 개발하는 것이 거의 불가능했습니다.
이를 해결하기 위해 우리는 금속 FFF 필라멘트를 새롭게 설계했습니다. 기존의 부서지기 쉬운 금속 필라멘트 대신, 3D 프린팅에 최적화된 새로운 폴리머 바인더를 개발하여 '유연한(flexible)' 필라멘트를 만들었습니다. 이 필라멘트는 다루기 쉬워지고, 노즐 막힘을 거의 없애며, 무엇보다도 피드 튜브를 통해 쉽게 공급할 수 있게 되었습니다. 첫 번째 유연한 금속 필라멘트는 구리(Copper)였으며(2020년 출시), 이후 17-4PH v2, H13 v2, D2 v2와 같은 인기 있는 강철을 새롭게 출시했습니다. 316L 스테인리스 강은 FX10의 금속 기능이 활성화된 후 내년에 출시될 예정입니다.
유연한 필라멘트가 듀얼 시스템 구축의 근본적인 문제를 해결했지만, 엔지니어들은 여전히 서로 다른 두 가지 미디어를 인쇄하도록 설계된 안정적인 시스템을 구축할 방법을 찾아야 했습니다. 이를 위해 그들은 지금까지 만든 장비 중 가장 모듈화된 장비를 만들었습니다.
FX10의 작동 원리 (How it works )
FX10은 금속과 복합 재료 필라멘트가 각각 완전히 다른 하드웨어를 필요로 한다는 점을 인식하고 설계되었습니다. 이를 가능하게 하기 위해, 우리는 프린팅 엔진의 주요 부품들을 모듈화하여 교체할 수 있게 만들었습니다.
프린트 헤드: 복합 재료와 금속 각각에 전용 프린트 헤드가 있으며, 두 개의 노즐을 가지고 있습니다. 복합 재료 헤드는 플라스틱 노즐과 섬유 노즐을, 금속 헤드는 금속 필라멘트용 노즐과 세라믹 방출 재료용 노즐을 가지고 있습니다. 프린트 헤드는 두 개의 나사만으로 교체할 수 있습니다.
- 재료 경로 블록: 프린터 뒷부분에 위치한 재료 경로 블록은 네 개의 피드 튜브를 수신하며, 복합 재료 블록에서는 하나의 출구로 경로가 연결되고, 금속 블록에서는 두 개의 출구로 경로가 분리됩니다. 이 블록은 나사 하나만 풀면 교체할 수 있습니다.
- 재료 튜브: 금속과 복합 재료 필라멘트 간의 교차 오염을 방지하는 전용 재료 튜브가 사용됩니다.
FX10의 프린트 헤드는 두 개의 나사만으로 교체할 수 있습니다.
기본적인 세 가지 프린트 엔진 부품 외에도, 프린트 시트, 스풀 홀더 와 같은 몇 가지 부속 부품도 교체해야 합니다. 전체 전환 과정은 약 15분 정도 걸리며, 그 후에는 약 1시간의 캘리브레이션 과정이 필요합니다.
FX10을 사용하면, 금속 복합 재료 출력 간 전환을 2시간 이내에 완료할 수 있습니다. 금속 부품은 여전히 세척과 소결 과정이 필요하며, 이는 Markforged가 제공하는 기존의 보조 장비를 사용해야 합니다.
FX10의 최종 제품（The end products）
FX10은 두 가지 구성으로 제공됩니다: 복합 재료 >와 금속 + 복합 재료. 복합 재료 구성에는 프린터가 포함되어 있으며, 금속 + 복합 재료 구성에는 FX10 금속 키트, Wash-1, Markforged 소결로가 포함됩니다. 복합 재료만 지원하는 FX10을 구입한 사용자는 금속 기능을 추가하기 위해 금속 키트, Wash-1, 소결로를 별도로 구매할 수 있습니다. 이미 Markforged의 금속 FFF 기능을 보유한 고객(예: Metal X 사용자)은 FX10에 금속 키트를 추가하여 금속 기능을 업그레이드할 수 있습니다.
FX10은 기존의 유연한 금속 필라멘트인 17-4PH v2, 구리, H13 v2, D2 v2 와 호환됩니다. 또한 FX10에서만 사용할 수 있는 새로운 필라멘트 316L 이 출시될 예정입니다. 이 스테인리스 강은 부식 저항성이 뛰어나 식품 및 음료, 해양, 그리고 기타 산업 분야에서 유용합니다.
FX10의 금속 및 복합 재료 응용 분야(FX10 Metal and Composite Applications）
FX10은 최초로 금속과 복합 재료 출력이 가능한 FFF 프린터로, 제조 응용 분야를 전방위적으로 지원할 수 있는 장비입니다. 금속과 복합 재료 출력은 서로 보완적인 관계로, 각 공정의 강점을 살릴 수 있습니다.
복합 재료의 장점
- 대형 부품: 금속 FFF는 소결 과정에서 부품 크기에 제약이 있지만, 복합 재료 출력은 15cm 이상의 부품에도 적합하여 대형 부품을 만드는 데 유리합니다.
- 설계된 순응성: 복합 재료와 플라스틱 부품은 하중에 의해 구부러지거나 휘어지도록 설계할 수 있어 많은 종류의 고정구에 이상적입니다.
- 비마르링 표면: 복합 재료는 비마르링(non-marring) 특성을 가지고 있어, 깨지기 쉬운 소재를 취급할 때 매우 중요합니다.
- 저렴하고 빠른 생산: 금속 FFF의 3단계 과정에 비해 복합 재료 출력은 더 빠르고 저렴하게 부품을 생산할 수 있습니다.
- 정밀한 공차: 금속 부품은 후가공이 가능하지만, 복합 재료 출력은 금속보다 훨씬 더 정밀한 공차를 제공합니다.
금속의 장점
- 강도와 경도: 복합 재료는 강하지만, 스테인리스강 및 공구강은 금속만이 제공할 수 있는 강도를 제공합니다. 또한 금속은 복합 재료보다 훨씬 더 단단하며, 일부 금속은 추가 경화가 가능합니다.
- 내열성: 200ºC 이상의 환경에서 작동하는 부품에는 금속만이 적합합니다.
- 내마모성: 금속은 단단하고 경화할 수 있어 반복적인 마모에 노출되는 부품에 탁월한 내마모성을 제공합니다.
- 가공성: 금속 부품은 정밀한 공차나 미러 표면 마감이 가능합니다.
- 열 및 전기 전도성: 구리는 특수한 열과 전기 전도성을 제공하며, 특정 요구 사항을 충족하는 부품에 적합합니다.
복합 재료는 많은 문제를 해결하지만, 때때로 금속이 필요한 경우도 있습니다.
이 두 가지 기술은 크게 세 가지 방식으로 상호 보완적인 장점을 발휘합니다: 공유 응용, 고유 응용, 하이브리드 응용.
공유 응용
예를 들어, **팔 끝 도구(EOAT)**와 같은 응용에서는 복합 재료와 금속이 서로 다른 이유로 뛰어난 성능을 발휘합니다. 복합 재료 EOAT는 비마르링 그리퍼와 진공 도구로 사용될 수 있는 반면, 금속 EOAT는 일반적으로 고속 생산 환경에서 사용되는 생산용 그리퍼에 적합합니다. 두 기술이 모두 제공됨으로써 더 다양한 부품을 처리할 수 있는 응용 공간이 확장됩니다.
고유 응용
복합 재료나 금속의 특정 특성이 엔지니어가 특정 응용 분야를 다룰 수 있도록 합니다. 예를 들어, 복합 재료는 **공장 보조 장치(factory aids)**에 적합합니다. 이는 생산 라인을 효과적으로 운영하는 데 필요한 다양한 브래킷, 마운트, 가이드, 고정구 등입니다. 이러한 부품은 중요하지만, 복합 재료 출력의 저렴하고 빠른 생산 방식으로 충분히 해결할 수 있습니다. 간단히 말해, 금속이 필요하지 않은 부품입니다. 반면, 고온에서 사용하는 도구인 브레이징 고정구와 같은 부품은 금속으로 출력해야만 내구성을 유지할 수 있습니다.
하이브리드 응용
하이브리드 응용에서는 금속과 복합 재료의 상호 보완적인 이점을 하나의 조립체에서 활용할 수 있습니다. 이를 통해 성능이 향상된 도구를 설계할 수 있습니다. **팔 끝 도구(EOAT)**에서 복합 재료로 만든 도구 본체와 금속으로 만든 마모 패드를 결합한 사례가 좋은 예입니다. 복합 재료 본체는 저렴하고 강도도 충분하며 생산이 빠르며, 금속 마모 패드는 경도와 내마모성을 제공합니다. 두 재료를 사용함으로써 도구는 특정 응용에 맞게 최적화할 수 있으며, 다른 제조 기술로는 구현할 수 없는 방식으로 맞춤화된 부품을 생산할 수 있습니다.
FX10은 금속과 복합 재료를 결합하여 고성능 도구를 제작하는 데 필요한 다양한 옵션을 제공하며, 엔지니어들이 두 재료의 장점을 최대한 활용할 수 있도록 지원합니다.
결론 （the bottom line)
FX10은 복합 재료만 출력하는 기계로도 이미 뛰어난 성능을 자랑하는 카테고리 리더였습니다. 여기에 금속 출력 기능이 추가되면서, 이제 FX10은 진정으로 혁신적인 제조 장비로 거듭났습니다. 공장 현장에서 금속과 복합 재료 부품을 모두 제작할 수 있는 첫 번째 FFF 기계로서, 제조 업계를 변화를 이끌 도구로 자리매김했습니다. 우리는 FX10이 여러분의 공장에 가장 다재다능한 도구가 될 것이라고 확신합니다. 더 자세한 정보를 원하시면, 3D 프린팅 전문가와 상담해 보세요.
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