# FFF 3D프린팅 : 복합필라멘트
복합 재료에서 가장 오래되고 가장 많이 사용되는 유리 섬유
고성능 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 탄소 섬유
방탄조끼로 유명한 케블라 섬유
FFF 프린팅에도 이 섬유들을 사용한 복합 필라멘트로 인쇄물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다.
FFF 프린터에서 인쇄 부품의 기계적 특성을 향상시키기 위한 한 방법은 PLA, PETG, 나일론, PC, ABS 등의 기본 재료(매트릭스)에 탄소, 유리 또는 케블라(Kevlar)로 대표되는 아라미드(Aramid) 섬유를 채운 복합(composite) 필라멘트를 사용하는 것입니다.
이번 시간에는 복합 재료에 사용되는 이 세 가지 기본 섬유를 알아보겠습니다.
<유리, 탄소 및 케블라 섬유를 사용한 제품들>
1. 유리 섬유
복합 재료에서 가장 오래되고 가장 많이 사용되는 직물로 현재도 대부분의 응용분야에서 금속 부품을 대체하는 가장 일반적으로 사용하는 보강재입니다.
첨가 섬유 중 가장 저렴하다는 장점이 있고 탄소 섬유보다 무겁고 강성이 작지만 충격에 더 강하고 파단신율이 큽니다.
2. 탄소 섬유
탄소 섬유는 높은 인장 강도, 낮은 밀도, 높은 강성 및 열 전도성으로 인해 고성능 응용 분야에서 가장 널리 사용되고 있습니다. 케블라, 유리 섬유 대비 가장 높은 강도를 가지며 가장 가벼운 섬유입니다. 이러한 이유로 이전에 알루미늄 또는 티타늄을 사용했던 항공우주 부품의 합금을 대체하는 등 항공 우주 및 산업 응용 분야에서 최고의 선택으로 알려져 있습니다.
반면 최고의 강성은 하중이 가해질 때 치수 공차를 유지하는 데 탁월하지만 최대 값을 초과하면 탄소 섬유 라미네이트가 갑자기 부서지거나 쪼개지는 원인이 되기도 합니다.
또한 유리 또는 케블라 섬유보다 내충격성이 낮고 전기 전도성으로 인해 접촉하는 금속에 부식을 일으킬 수 있는 단점이 있습니다.
3. 케블라 섬유
방탄조끼로 유명한 케블라 섬유는 내충격성, 내절단성이 필요한 안전장비의 원단으로 사용됩니다. 유리 섬유와 탄소 섬유의 중간 정도의 인장 강도를 가지며 무게도 탄소 섬유에 가깝게 가볍습니다.
습기와 자외선에 약한 단점이 있습니다.
<유리, 탄소 및 케블라 특성 비교>
4.복합 필라멘트 composite filament
복합 필라멘트는 매트릭스에 30~150μm 정도로 짧게 절단된 섬유를 혼합하거나 최대 7mm 길이로 절단된 섬유를 혼합한 복합재료에서 만들어집니다.
복합 부품에서 원하는 특성을 얻으려면 섬유와 매트릭스 사이의 접착력을 최적화해야 합니다. 사이징(sizing)이라고 알려진 표면 코팅 물질(에폭시, 글리세린 등)을 사용하여 접착력을 강화하면 최대 7mm의 ‘긴 섬유’로 강화된(reinforced) 복합 재료가 만들어집니다.
단섬유를 채운 복합 재료의 경우는 섬유의 표면적이 충분히 넓어서 접착을 위한 사이징을 하지 않기도 합니다.
복합재료가 필라멘트로 압출될 때 긴 섬유는 매트릭스 안에서 배향성을 갖습니다. 단섬유의 경우는 특별한 방향 없이 무작위로 분포합니다.
섬유가 배향되면 섬유 특성이 한 방향으로 집중되는 반면 무작위 혼합물은 모든 방향으로 특성을 용해시킵니다. 긴 섬유로 강화된 복합 재료는 섬유 방향으로 높은 특성을 가지고 단섬유 강화 폴리머는 모든 방향에서 상당히 적당한 특성을 갖습니다.
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| 단섬유로 채워진 필라멘트와 긴 섬유로 보강된 필라멘트 |
5. 복합 필라멘트 인쇄
복합 필라멘트에 첨가된 섬유는 매트릭스 수지에 의해 제자리에 고정되어 무게를 최소화하면서 강도 및 강성과 같은 최종 부품의 성능 특성을 향상시킬 수 있으므로 금속을 대신하여 가볍고 저렴하게 기계적 특성이 우수한 부품을 만들 수 있습니다.
물론 금속보다는 기계적 특성이 떨어질 수 있지만 실제 금속을 사용하는 많은 경우에서 그 만큼의 강도가 꼭 필요하지는 않은 경우가 많다는 걸 생각하면 훌륭한 대안입니다.
그리고 복합 소재의 인쇄는 매트릭스 소재의 인쇄 온도와 비슷한 온도에서 가능하므로 이 점도 매우 매력적입니다.
단점도 있습니다. 필러의 특성으로 인해 필라멘트가 더 부서지기 쉽고 층간 접착력은 더 나빠질 수 있습니다. 그리고 노즐이 막힐 위험도 있어 아주 작은 직경의 노즐은 사용할 수 없고 내마모성이 강한 경화 노즐을 사용해야 합니다.
결론적으로 복합 재료를 사용한 인쇄는 어려울 수도 있지만 적은 비용으로 금속을 대체하거나 능가하는 특성을 가지는 경량의 부품을 얻을 수 있는 이점 때문에 적층 제조의 한 트렌드로 계속 발전할 것입니다.