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금속보다 강한 복합재료를 적층 가공으로? – Markforged의 CFF 방식 3D 프린터

화학 조성이 다른 두 가지 재료를 물리적으로 결합하는 것이 복합재료이다. 특히 탄소 복합재료인 탄소강화 플라스틱은 최고 수준의 내열성, 강도, 내화학성을 보유한 재료로, 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 복합재료를 적층 가공으로 조형할 수 있다는 점이 놀랍다. 마크포지드가 보유한 복합재료 적층 솔루션에 대해 알아본다.

Marktwo

Markforged(이하 마크포지드)는 2013년 미국 MIT 공대에서 설립한 회사로, 고강도, 내열성, 내화학성을 가진 복합소재에 대한 정밀 적층 가공 기술을 보유하고 있다. 마크포지드의 복합소재 3D 프린터로는 데스크탑 형 제품인 Mark Two와 산업용 제품인 X7이 있다. 주력 제품인 Mark Two는 CFF(Continuous Filament Fabrication) 방식을 사용하는데 ‘플라스틱 전용 헤드’와 탄소 섬유용 ‘특수 커터 장착 헤드’의 듀얼 헤드 방식으로 작동한다. 산업용 6061 T6 알루미늄보다 강도가 높은 견고한 부품 제작이 가능하다.

CFF 방식은 다양한 복합 소재를 수천 가닥의 연속 섬유 상태로 제작하는 마크포지드사의 특허 기술이다.
CFF 방식은 다양한 복합 소재를 수천 가닥의 연속 섬유 상태로 제작하는 마크포지드사의 특허 기술이다.

CFF 조형 방식
CFF 방식은 카본파이버, 파이버글라스, 케블라 등 다양한 복합 소재를 수천 가닥의 연속 섬유 상태로 제작하는 마크포지드사의 특허 기술로, 금속 수준의 고강도 부품을 제작할 수 있다. 마크포지드의 프린팅 장비는 듀얼 헤드를 사용하여 Onyx 플라스틱으로 파트를 조형하면서, 출력물의 강도를 더욱 높이고 싶은 부분에 선택적으로 ‘복합소재’를 삽입하여 출력하는 방식으로 일반 플라스틱보다 최대 23배까지 강한 파트를 제작할 수 있다. 기본 재료인 Onyx 재료는 20%의 마이크로 탄소섬유(Chopped Carbon)와 PA6 계열 터프 나일론을 결합하여 만든 검은색 필라멘트이며, ABS의 1.4배 강도와 함께 치수 안정성이 우수한 엔지니어링 등급 부품을 출력할 수 있다.

Mark Two는 듀얼 헤드를 사용하여 Onyx 플라스틱으로 파트를 조형하면서, 출력물의 강도를 더욱 높이고 싶은 부분에 선택적으로 복합소재를 삽입하여 출력하는 방식을 사용한다.
Mark Two는 듀얼 헤드를 사용하여 Onyx 플라스틱으로 파트를 조형하면서, 출력물의 강도를 더욱 높이고 싶은 부분에 선택적으로 복합소재를 삽입하여 출력하는 방식을 사용한다.

Eiger(아이거) 소프트웨어
탄소 섬유 고유의 특징과 강도를 살린 제품을 3D프린터로 조형하기 위해서 여러 방향으로 적층하는 방식을 사용한다. 이를 통해 CFRP 조직과 같은 텍스처링 형태가 만들어져 강도를 높일 수 있다. 마크포지드의 전용 소프트웨어 아이거가 이 공정을 가능하게 한다. 아이거는 클라우드 기반의 3D 프린팅 소프트웨로 3D프린팅 과정을 최대한 단순하고 쉽게 만들기 위해 설계되었다. 운영 하드웨어의 제한 없이 웹 브라우저만 있으면 복합 소재 및 금속 부품을 프린팅할 수 있다. 보안이 필요한 연구기관이나 기업 대상으로는 별도 운용 가능한 오프라인 소프트웨어로 제공된다.

Mark Two로 출력한 카본 파이버 출력물. (사진_인터몰드 2019)
Mark Two로 출력한 카본 파이버 출력물. (사진_인터몰드 2019)
Mark Two의 작동 모습. 구조는 복잡하지 않다. (사진_인터몰드 2019)
Mark Two의 작동 모습. 구조는 복잡하지 않다. (사진_인터몰드 2019)

로봇 그리퍼 사례
사례 기업은 카본 복합 소재를 이용하여 다양한 형태의 로봇 그리퍼의 일종인 End-effector를 제작했다. 금속 수준의 강성과 정밀도, 특히 신속하게 제작할 수 있는 부분으로 인하여 생산 라인의 효율성 증대를 가져올 수 있었다. 절삭 가공으로 제작할 당시 개당 290달러가 소요되었으나 마크포지드 장비로 적층 가공한 후 개당 단가를 9달러로 낮출 수 있었다.

로봇 End-effector 제작 사례. ABS 소재의 23배 강도를 가진 부품을 출력할 수 있어 강성이 필요한 기능 부품에 활용한다.
로봇 End-effector 제작 사례. ABS 소재의 23배 강도를 가진 부품을 출력할 수 있어 강성이 필요한 기능 부품에 활용한다.
아바 제작 사례. 높은 내화학성 및 견고한 물성으로, 생산라인에서 장시간 사용할 수 있는 툴을 제작할 수 있다.
아바 제작 사례. 높은 내화학성 및 견고한 물성으로, 생산라인에서 장시간 사용할 수 있는 툴을 제작할 수 있다.

Print Farm(프린트 팜)의 확산
프린트 팜은 다수의 프린터로 이루어진 시설을 말하는데, 마크포지드의 3D 프린터 및 재료, 그리고 프린팅 프로세스는 사무실 친화적이므로 프린트 팜을 위해 특별한 시설이나 환경 처리가 필요하지 않다. 또한 온라인 연결로 1명 혹은 소수의 인원이 수십대의 프린터를 관리할 수 있다. 아이거 소프트웨어의 라이브 프린트 모니터링 기능을 사용하면 수십 대의 프린터를 자유롭게 준비하고 프린팅 할 수 있기 때문이다. 이러한 이유로 학교나 연구기관 공장 등 다양한 분야에서 마크포지드 장비를 사용한 프린트 팜이 확산되고 있는 추세다.

마크포지드는 자체 Print Farm을 운영하고 있는데, 38대에 달하는 마크포지드 3D 프린터가 매주 수천 개, 매월 15,000여 개의 샘플 부품을 생산하고 있다.
마크포지드는 자체 Print Farm을 운영하고 있는데, 38대에 달하는 마크포지드 3D 프린터가 매주 수천 개, 매월 15,000여 개의 샘플 부품을 생산하고 있다.
아주대학교 메이커스페이스에서는 기업 지원용인 산업용 X7과 Onyx One 5대로 프린트 팜을 구성했다.
아주대학교 메이커스페이스에서는 기업 지원용인 산업용 X7과 Onyx One 5대로 프린트 팜을 구성했다.

마크포지드 3D 프린터의 국내 대리점인 3DCLOUD(쓰리디클라우드)의 문국희 대표는 “우리나라도 복합재료 3D 프린팅 도입이 늘어나고, 메이커스페이스와 같이 아이디어만 있으면 완제품 수준의 제품을 가까운 곳에서 제작할 수 있는 환경이 점차 구축되고 있다.”라고 말했다. “실제로 아주대학교 메이커스페이스에서는 산업용 X7 및 다수의 데스크탑 3D 프린터를 이용한 프린트 팜을 구축하여 아이디어 제품의 제작뿐 아니라 정밀한 부품 제작에 이르기까지 다양한 용도로 활용하고 있다. 이 외에도 고려대학교 등 교육기관이나 연구소, 로봇 관련 기업에 판매가 지속되고 있다.”고 문국희 대표는 설명했다.

마크포지드 X7 3D 프린터는 데스크탑 제품보다 약 3배 가까운 크기의 제품을 제작할 수 있으며, 제조 현장에서 더욱 활용도를 높이기 위해서 더 높은 정밀도 및 해상도를 가지고 있다.
마크포지드 X7 3D 프린터는 데스크탑 제품보다 약 3배 가까운 크기의 제품을 제작할 수 있으며, 제조 현장에서 더욱 활용도를 높이기 위해서 더 높은 정밀도 및 해상도를 가지고 있다.

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.