Glass vs carbon fiber composite 3D printing materials hero

유리 섬유 vs 탄소 섬유 복합재

어떤 3D 프린팅 재료를 선택해야 할까요?

적용 분야

유리/탄소 섬유 복합재는 부품의 기계적 속성을 강화하여 FFF(용융 필라멘트 적층 조형) 3D 프린팅의 응용 분야를 넓혀주는 효과가 있습니다.

예를 들어 호환되는 3D 프린터(Ultimaker S5 Pro Bundle, Ultimaker S3 등)에서 유리 또는 탄소 섬유 복합 재료를 사용하면 다음과 같은 고강도 부품을 빠르고 저렴하게 제작할 수 있습니다.

  • 기하형상 검증

  • 설계 최적화

  • 중량 감소

  • 어셈블리 통합

  • 사출 금형으로 가공된 프로토타입 테스트

  • 금속 구성품 대체

하지만 처음에 어떤 3D 프린팅 복합 재료를 선택해야 할까요?

Choosing the right composite 3D printing material is key to the success of your application
Choosing the right fiberglass or carbon fiber composite is key to the success of your 3D printing application

무엇보다도 유리/탄소 섬유 필라멘트는 부품을 3D 프린팅할 때 비슷한 기계적 속성을 부여할 수 있습니다.

특히 최고의 재료 회사(Ultimaker Cura Marketplace를 통해 다운로드할 수 있도록 프린트 설정 프로파일을 제공하는 회사 등)가 아래와 같은 조정을 통해 여러 가지 속성을 강화할 수 있는 경우라면 더욱 그렇습니다.

  • 베이스 폴리머 선택(예: ABS, 나일론, 폴리카보네이트)

  • 베이스 폴리머 혼합(예: ABS + 폴리카보네이트)

  • 섬유 길이(예: 장섬유 또는 절단 섬유, 단섬유 또는 절삭 섬유)

  • 섬유 충전률(예: 20% 유리 섬유)

  • 기타

그렇다면 두 섬유를 비교해 하나를 선택해야 하는 이유는 무엇일까요?

유리 섬유 복합재와 탄소 섬유 복합재의 비교

BASF 3D 프린트 첨가제 압출 성형 시스템 사업부의 영업 팀장인 Roger Sijlbing은 이렇게 말했습니다.

응용 분야에 적합한 재료를 결정할 때는 많은 것들을 고려해야 합니다. 자동차 산업을 예로 들면 유리 섬유 복합재와 탄소 섬유 복합재 모두 적합할 수 있습니다. 단지 응용 분야 요건과 총소유비용에 따라 사용할 복합재가 결정됩니다.

3D 프린팅 응용 분야의 요건을 기준으로 재료를 선택하는 데 도움이 될 수 있도록 다양한 3D 프린팅 요건에 따라 (일반적으로) 어떤 복합재가 적합한지 알 수 있는 목록을 아래 간략하게 표시했습니다.

요건적합한 복합재
저렴한 가격유리 섬유
인장 강도탄소 섬유
강성탄소 섬유
내구성유리 섬유
유연성유리 섬유
저중량탄소 섬유
내열성모두
내화학성모두
내피로성탄소 섬유
자외선 차단모두
ESD 안전성탄소 섬유
전도성탄소 섬유
전파 통과 허용유리 섬유
다수의 색상 사용 가능유리 섬유

이러한 속성 중 하나라도 응용 분야에서 요구하는 우선순위라면 위의 목록이 도움이 될 수 있습니다.

하지만 3D 프린팅 요건에 따라 유리 섬유와 탄소 섬유를 명확하게 구분하여 선택할 수 없는 경우에는 어떻게 해야 할까요? 적합한 복합재를 선택하려면 몇 가지 고려해야 할 사항이 더 있습니다. 

이제부터 관련된 제조 공정에 대해 자세히 살펴보면서 무엇을 고려해야 하는지 알아보겠습니다. 

유리 섬유와 탄소 섬유의 제조 방법

유리 섬유

유리 섬유는 1936년부터 상업 목적으로 생산되기 시작했습니다. 실제로 유리 섬유 발명은 오늘날 Owens Corning으로 알려진 파트너십으로 이어지기도 했습니다.

유리 섬유를 만들 때는 먼저 실리카 용융을 통해 불순물을 제거합니다. 그런 다음 부싱이라고 불리는 다공성 금속 플레이트를 가열한 후 여기를 통해 액상 유리를 압출 성형합니다. 물과 공기를 이용해 약 1,200°C의 유리 스트링을 냉각시키는 동시에 얇은 섬유로 늘어뜨려 당기면서 권취기에 감습니다.

Owens Corning is a glass fiber specialist developing the composite filament XSTRAND
Owens Corning은 두 가지 유리 섬유 복합 필라멘트인 XSTRAND®를 개발했습니다. 사전 설정된 프린트 설정은 Ultimaker Marketplace에서 다운로드 받을 수 있습니다.

탄소 섬유

탄소 섬유 제조 과정은 분자 수준에서 일어납니다. 탄소 섬유는 가격이 높기는 하지만 강성과 중량 대비 강도 비율이 우수하기 때문에 경량 자동차 및 항공우주 분야에서 복합 첨가제로 많이 사용되었습니다.

처음에는 액상 폴리아크릴로니트릴 전구체인 탄소 원자의 섬유 혼합물을 약 300°C에서 산화 처리하여 섬유가 용융되는 것을 막습니다. 그런 다음 무산소 오븐에서 최대 1,000°C로 탄화 처리합니다. 이러한 과정에서 원자가 서로 융합하면서 불순물을 방출하여 뛰어난 강성의 배열 구조로 순수 탄소 원자만 남습니다.

이후 탄소 섬유 배열은 표면 처리 수조를 지나면서 표면이 에칭 가공됩니다. 탄소 배열의 복원력이 뛰어나고 코팅 물질에 대한 접착력이 우수한 이유도 바로 여기에 있습니다.

3D 프린팅 필라멘트에 사용되는 코팅, 절단 또는 절삭 섬유

기술 용어로 '사이징'이라고 불리는 코팅 화학물질(폴리우레탄, 에폭시, 글리세린 등)은 불활성 유리 또는 탄소 섬유가 혼합 폴리머와 더욱 쉽게 결합될 수 있도록 돕는 역할을 합니다. 코팅 물질이 폴리머의 화학 성질과 반응하면서 결합력을 강화하기 때문입니다.

일반적으로 섬유 코팅은 최대 7mm의 길이로 섬유를 절단할 때 이루어집니다. 결과적으로 폴리머 매트릭스 내에서 직조 효과를 통해 '장섬유'가 되면서 3D 프린팅 복합 재료를 강화합니다.

그렇다고 3D 프린팅 필라멘트에 사용되는 탄소/유리 섬유가 모두 코팅되는 것은 아닙니다.

The manufacturing process for each glass or carbon fiber composite affects the mechanical properties of the 3D printed material
The manufacturing process for each glass or carbon fiber composite affects the 3D printed materials' mechanical properties

코팅을 하지 않거나, 품질이 낮은 코팅을 사용한 복합 재료는 가격이 비교적 저렴하여 나쁜 선택이 아닐 수도 있습니다.

특히 '단섬유'로 알려진 것처럼 섬유가 정밀 파우더로 가공된다면 더욱 그렇습니다. 이러한 섬유들은 길이가 30~150마이크론으로 표면적이 넓기 때문에 코팅 필요성이 상대적으로 적습니다. 다만 이러한 경우에는 복합 필라멘트가 '강화되었다'라는 말보다는 탄소 또는 유리 섬유로 '충전되었다'라고 말하는 것이 더욱 정확합니다.

절삭 섬유를 코팅하지 않는다고 해서 반드시 잘못된 것은 아닙니다. 재료 속성이 다를 뿐입니다. 복합 재료의 강성과 강도가 우수하지는 않지만 내구성과 내충격성이 뛰어날 가능성이 높습니다.

코팅, 또는 절삭 가공을 마친 섬유는 베이스 폴리머와 혼합되어 3D 프린터 필라멘트로 압출 성형할 수 있는 복합 재료로 만들어집니다.

이러한 최종 필라멘트 압출 성형은 매우 중요합니다. 바로 여기에서 길이가 긴 유리 또는 탄소 섬유의 방향이 결정되기 때문입니다. 탄소 섬유는 필라멘트 길이를 따라 이어지면서 직조 효과를 발휘하여 3D 프린트된 부품의 강도를 더욱 높입니다. (FFF 3D 프린터가 0.4 또는 0.6mm 노즐을 통해 섬유 길이가 최대 7mm인 필라멘트를 압출할 수 있는 것도 이러한 방향에서 비롯됩니다.)

Be confident in your choice of composite material by understanding how manufacturers ensure high quality
최대 길이가 7mm인 유리 또는 탄소 섬유가 Ultimaker print core CC Red의 0.6mm 노즐을 통해 압출할 수 있도록 필라멘트를 강화합니다.

다양한 복합 재료 중에서 고르는 방법

사람들은 삶을 살면서 많은 일들을 겪지만 주는 만큼 받기 마련입니다. 복합 3D 프린팅 재료도 다르지 않습니다.

필라멘트 회사가 작을수록 복합 재료 가격도 저렴할 수 있습니다. 하지만 복잡 재료 개발에 필요한 재료 과학을 전문적으로 다루는 기업이 아니라면 규모가 큰 도매업체에서 이미 제작된 펠렛을 구매할 수도 있습니다. 그런 다음 폴리머 매트릭스의 섬유 방향을 올바르게 제어하는 데 필요한 토크가 없는 장비에서 필라멘트를 압출 성형합니다. 하지만 이러한 경우 필라멘트의 품질이 떨어집니다.

이와 반대로 최고의 제조회사들은 수십 년 동안 강화 폴리머를 개발하면서 전문적인 노하우를 축적했습니다. 특히 사출 금형 업계에 이러한 회사들이 많습니다. 이렇게 축적된 전문성을 적층 제조에 적용하는 동시에 최고급 섬유, 코팅, 공정을 사용해 폴리머 매트릭스를 정밀하게 개발하여 산업용 장비에서 압출 성형합니다. 따라서 언제든지 필라멘트를 통해 원하는 기계적 속성을 부여하여 부품을 3D 프린트할 수 있습니다.

예를 들면 다음과 같이 Clariant의 복합 필라멘트가 있습니다.

  • PA6/66-CF20

  • PA6/66-GF20

  • PA6/66-GF20 Flame Retardant Using Exolit®

  • PC+ABS-GF15

  • PLA-HI-GF10

BASF는 다음과 같은 복합 필라멘트가 있습니다.

  • PAHT CF15

  • PET CF15

  • PP GF30

Owens Corning은 다음과 같은 복합 필라멘트가 있습니다.

  • XSTRAND® GF30-PA6

  • XSTRAND® GF30-PP

Download predefined profiles from Ultimaker Cura to print composite materials with a high success rate
Download predefined composite material profiles from Ultimaker Marketplace for a plug-and-play 3D printing experience

결론: 현명한 선택

Ultimaker Cura Marketplace에는 이러한 복합 필라멘트를 비롯한 다양한 필라멘트가 등록되어 있습니다.

사전 설정된 프린프 프로파일을 다운로드하면 Ultimaker S5 Pro Bundle 또는 Ultimaker S3에서 아무런 시행착오 없이 3D 프린팅을 바로 경험할 수 있습니다. 여기에 더하여 재료에 대한 설명과 데이터시트 링크까지 제공하여 응용 분야에 따라 적합한 복잡 재료를 손쉽게 선택할 수 있습니다.

따라서 처음 프린트하는 경우에도 자신있게 원하는 기계적 속성을 부여하여 품질 높은 결과를 얻을 수 있습니다.

그 밖에도 탄소 또는 유리 섬유가 3D 프린팅 필라멘트를 어떻게 강화하는지 잘 알고 있다면 사내 생산 요건에 따라 복합 재료의 여러 가지 이점을 이용할 수 있습니다.

Marketplace에 액세스하려면 아래에서 Ultimaker Cura를 무료로 다운로드하십시오.

Ultimaker Cura 다운로드

더 많은 블로그 읽기