복합 섬유는 일반적으로 강도, 강성, 내열성 및 내구성과 같은 기존 3D 프린팅 파트의 특정 특성을 향상시킵니다. 이는 ABS 또는 PLA와 같은 3D 프린팅에 사용되는 전통적인 열가소성 수지에 비해 강도상의 이점을 제공하므로 3D 프린팅의 애플맄이션은 이러한 추가 재료와 테이블에 제공되는 특성을 통해 확장될 수 있습니다.
열가소성 플라스틱은 화학적 성질의 변화 없이 상태를 변경할 수 있는 플라스틱입니다. 이는 쉽게 녹고, 층별로 압출되고, 즉시 냉각되어 모양을 만들 수 있기 때문에 인기 있는 3D 프린팅 재료입니다. 그러나 3D 프린팅에 적합하게 만드는 특성으로 인해 엔지니어링 강도가 높은 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 이러한 열가소성 수지 중 상당수는 상대적으로 녹는점이 낮고 매우 강하지도 않고 단단하지도 않습니다.
반면, 복합재는 두 개 이상의 재료로 구성된 파트로, 결합 시 원래 재료와 다른 특성을 갖습니다. 콘크리트 및 파티클보드와 같은 재료는 다양한 재료의 혼합물이기 때문에 복합재로 간주될 수 있습니다. 그러나 엔지니어링 관점에서 복합재에 관해 이야기할 때 일반적으로 강화 섬유가 포함된 복합재를 지칭합니다. 탄소 섬유, 유리 섬유 및 케블라는 업계에서 복합재에 사용되는 가장 일반적인 섬유 재료 중 세 가지입니다. 3D 프린팅 물리학에서 다루었듯이 섬유는 스파게티와 같습니다. 얇고 부서지기 쉬우며 구부리면 부러지기 쉽습니다. 이러한 섬유는 그 자체로는 거의 사용되지 않습니다. 시트로 엮거나 막대로 감싸거나 섬유를 최적화된 모양으로 경화시키기 위해 매트릭스 재료를 사용하여 맞춤형 성형 모양으로 형성합니다. 많은 섬유가 함께 묶여 더 큰 구조 요소를 만들면 힘이 모든 섬유의 길이를 따라 하중을 분산시킬 수 있습니다.
유리 섬유 스트랜드를 금형에 놓고 열경화성 수지로 경화합니다.
탄소 섬유는 무게 대비 강도 비율이 가장 높은 것 중 하나이므로 가볍고 강한 파트를 만드는 데 매우 유용합니다. 섬유 자체는 결정 구조가 가닥으로 정렬되어 있는 탄소 원자로 구성되어 있어 가닥의 장력이 놀라울 정도로 강합니다. 전통적으로 열경화성 수지는 이러한 섬유를 지정된 모양으로 설정하고 폼과 같은 매트릭스 재료 주위에서 경화시키는 결합제로 사용됩니다. 따라서 섬유 직조 시트 사이에 폼을 "샌드위치"하고 수지로 모두 경화하여 샌드위치 패널을 만들 수 있습니다. 3D 프린팅의 맥락에서 섬유는 두 가지 다른 형태를 취할 수 있습니다.
절단 섬유(Chopped Fiber)는 길이가 1mm 미만의 조각으로 절단된 짧은 길이의 섬유이며 전통적인 열가소성 수지와 혼합되어 충진 플라스틱을 형성합니다. FDM 프린팅 방식으로 프린팅할 수 있습니다.
연속 섬유(Continuous Fiber)에는 약간 다른 3D 프린팅 방법이 필요합니다. 이 방법에서는 연속 섬유 가닥이 경화제로 코팅되고 보조 프린칭 노즐을 통해 압출되는 열가소성 매트릭스에 배치됩니다. 이 공정을 CFF(연속 섬유 제조)라고 합니다.
어느 쪽이든 섬유를 추가하면 파트 강도와 기타 재료 특성이 향상되지만, 섬유가 사용되는 방식과 섬유 종류에 따라 도움이 되는 양이 달라집니다. 일반적으로 연속 탄소 섬유 3D 프린트는 연속성에 의해 적용된 하중이 분산되기 때문에 잘린 탄소 섬유 3D보다 더 강합니다.
잘게 잘린 섬유로 채워진 플라스틱은 가장 일반적인 유형의 복합 3D 프린팅 플라스틱입니다. 가장 널리 사용되는 잘린 복합 3D 프린팅 재료는 잘린 탄소 섬유입니다. 여기에는 탄소 섬유 조각이 나일론, ABS 또는 PLA와 같은 기존 3D 프린팅 플라스틱과 혼합됩니다. 열가소성 수지에 이 "충전재"를 추가하는 것은 재료 부스터 팩입니다. 섬유는 강도를 높이기 위해 시멘트에 콘크리트를 첨가하는 것과 같이 파트의 일부 응력을 떠맡습니다. 섬유는 파트에 가해지는 일부 응력을 처리하여 일반적으로 낮은 등급 재료의 특성을 향상시킵니다. 탄소 섬유를 첨가하면 기계적 특성의 열 안정성도 향상되어 작동 온도 범위가 넓어지고 고온 및 저온 모두에서 재료 거동의 예측 가능성이 향상됩니다.
이 섬유는 잘게 잘려 플라스틱과 혼합된 후 재료 증착 기반 3D 프린터에 사용하기 위한 스풀로 압출됩니다. 이 경우 3D 프린팅 프로세스는 동일하게 유지됩니다. 섬유가 열가소성 수지에 포함되어 있기 때문입니다. 따라서 다른 FFF 방식의 3D 프린팅과 마찬가지로 섬유가 가열, 압출 및 냉각되어 파트에 들어가게 됩니다. 잘게 잘린 복합 3D 프린팅 재료는 특정 특성이 부족할 수 있는 일반 플라스틱을 강화합니다. 탄소 섬유의 경우 섬유는 파트의 강도, 강성 및 치수 안정성을 향상시켜 기본 플라스틱보다 성능을 향상시킵니다.
섬유의 양과 잘게 잘린 조각의 길이는 파트의 강도와 품질에 영향을 미칩니다. 공급업체마다 플라스틱에 서로 다른 양의 섬유를 혼합하여 다양한 강도의 재료를 생산합니다. 특정 임계값 이하에서는 섬유가 표면 마감과 프린팅 품질을 향상시킵니다. 임계값 이상으로 긴 섬유를 대량으로 혼합하면 더 강한 재료를 얻을 수 있지만 재료 전체에서 플라스틱 비율이 더 낮기 때문에 표면 마감과 파트 정확도가 희생됩니다. 열가소성 수지가 혼합물에 꼭 필요한 이유는 프린팅 과정이 원활하게 진행되도록 하여 파트를 매우 강하게 만들 수 있기 때문입니다.
연속 섬유 3D 프린팅은 파트에 섬유 보강재의 연속 가닥을 추가하여 (섬유 가닥을 다시 생각해 보세요) 무게의 일부만으로 금속 강도 특성을 달성합니다. 두 개의 프린팅 노즐을 사용하여 프린터는 열가소성 수지로 매트릭스 재료를 만들고 연속적인 섬유 가닥을 다림질하듯이 눌러서 파트에 배치합니다. 이 공정을 CFF(연속 섬유 제조)라고 합니다.
CFF의 힘은 가닥의 연속성에서 나옵니다. 절단된 섬유와 달리 연속 가닥은 전체 길이에 걸쳐 하중을 흡수하고 분산할 수 있습니다. 열가소성 수지 매트릭스 내에 배치하면 파트가 더 높은 하중을 견디고 더 큰 충격을 흡수할 수 있습니다. 이를 통해 이러한 파트는 적은 무게로 금속 강도를 달성할 수 있습니다.
CFF 3D 프린팅 공정은 레이어당 2단계로 구성됩니다. 먼저 열가소성 수지를 압출하여 파트의 인필과 쉘을 형성합니다. 이는 복합재의 "매트릭스" 재료 역할을 합니다. 다음으로 연속 섬유를 다림질하여 해당 매트릭스로 만들고 호환 가능한 수지 코팅을 사용하여 열가소성 수지와 융합합니다. 이 과정은 층별로 반복되어 섬유를 3D 프린팅 파트의 골격으로 형성하고 열가소성 수지가 피부 역할을 합니다. 이 과정은 콘크리트 내부에 철근을 넣어 강화하는 방법과도 유사합니다.
섬유는 파트의 "백본"을 형성하며 특정 패턴으로 배치하여 무게와 재료 소비에 맞게 파트의 강도를 최적화할 수 있습니다. 파트에 하중이 어떻게 가하지는지에 따라 특정 영역에 섬유를 배치하여 필요한 곳에 정확하게 강도를 적용할 수 있습니다. 이는 절단된 섬유를 포함하여 표준 증착 기반 3D 프린터와 매우 다릅니다. 왜냐하면 이러한 방법은 전체 파트에 걸쳐 특성이 고르게 분포되어 있기 때문입니다. 다양한 하중 조건 및 거동에 대해 다양한 섬유 보강 옵션을 사용할 수 있습니다. 섬유 강화 전략에서 다양한 강화 전략에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.
파트에 필요한 재료 특성에 따라 다양한 섬유를 강화에 사용할 수도 있습니다. Markforged 3D 프린터는 보강재의 강도 거동을 선택할 수 있도록 몇 가지 다른 섬유 재료를 제공합니다:
탄소 섬유는 6061 알루미늄처럼 단단하고 강한 섬유이므로 무거운 하중을 견뎌야 하는 경량 파트에 사용할 수 있습니다.
유리 섬유는 견고하고 비용 효율적인 강화 재료로 일부 규정을 준수합니다. 이는 플라스틱보다 파트 강도를 높이고 강화 프린팅을 위한 좋은 출발점이 됩니다.
Kevlar는 높은 인성과 충격 저항성을 갖추고 있어 충격 하중 및 충격이 심한 조건에 이상적입니다. 깨지는 대신 구부러집니다.
고강도 고온(HSHT) 유리섬유는 높은 열변형 온도로 인해 고온에서도 강도와 강성을 유지합니다. 내열성 덕분에 더욱 극한 환경에서도 견딜 수 있습니다.
따라서 특정 재료 요구 사항에 맞게 다양한 섬유 유형을 선택하는 것과 섬유를 위치 및 층별로 배치함으로써 파트의 거동과 성능을 제어할 수 있습니다. 이는 연속 3D 프린팅 복합재가 잘린 섬유에 비해 갖는 주요 장점 중 하나입니다. 더 강한 파트를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 해당 용도에 최적화된 파트를 생산할 수도 있습니다.
