카본 파이버 3D 프린팅 이해하기: 종류와 주요 기술 소개

카본 파이버는 보통 단독으로 사용되기보다는 다른 소재와 결합해 복합재료로 활용됩니다. 특히 3D 프린팅 분야에서는 카본 파이버 강화 소재가 많이 쓰이는데요, 이 소재는 가벼우면서도 강도가 뛰어나 플라스틱 부품에 금속 수준의 강도와 내열성, 내화학성, 내식성까지 더해줍니다. 최근에는 항공우주, 자동차, 건축 등 다양한 산업에서 카본 파이버 복합 소재 기반의 3D 프린팅 기술을 도입하는 기업들이 늘어나고 있습니다. 이번 글에서는 카본 파이버 3D 프린팅이 무엇인지, 어떤 종류와 기술들이 있는지 쉽게 정리해보겠습니다.

출처: https://www.nitprocomposites.com/products

기술 원리와 소재 종류

FDM 3D 프린팅에서 카본 파이버는 보통 잘게 부순(chopped) 또는 분쇄된(milled) 형태로 열가소성 필라멘트에 섞여 사용됩니다. 이 카본 파이버는 강화용 ‘골격’ 역할을 하여 강성, 치수 안정성, 내열성을 높여주죠. 연속 카본 파이버(예: Markforged의 독자 기술)와 달리, FDM 방식의 카본 파이버는 짧은 섬유들이 폴리머 매트릭스 안에 분산되어 있는 형태입니다.

섬유 형태와 가공 방식에 따라 크게 3가지 유형으로 나뉩니다.

분쇄 카본 파이버 소재 (Grinding carbon fiber materials)

마이크론 단위의 카본 파우더와 플라스틱을 섞은 소재로, 무광 표면 효과를 낼 수 있지만 소재 강도는 크게 떨어집니다. 가격이 저렴해(예: ABS 혼합 소재 약 30달러) 외관용 프로토타입이나 하중이 걸리지 않는 부품에 적합합니다.

분쇄된(Chopped) 카본 파이버 복합재

산업용 등급의 소재로 0.5~1mm 길이의 잘게 부순 카본 파이버가 강화제로 들어갑니다. 사용 목적에 따라 다시 나뉘는데요:

• 범용형: 나일론 같은 엔지니어링 플라스틱과 결합해 충격 저항성을 높인 소재
• 항공 등급: PEEK, PEI 같은 고성능 폴리머와 조합해 고온 저항성을 만족하는 소재

이 소재들은 기능성 프로토타입, 생산용 지그, 혹은 혹독한 환경에서 사용하는 최종 부품 제작에 적합하며, 기본 소재 강도의 85%를 유지하면서 치수 안정성이 크게 향상됩니다.

연속 카본 파이버 기술

Markforged 같은 회사가 대표하는 연속 섬유 공정은 연속된 카본 파이버 다발을 층층이 쌓아 금속에 가까운 기계적 성능을 구현합니다. 일반 플라스틱보다 30배 강하며, 강도 대비 무게 비율은 알루미늄의 3배, 밀도는 강철의 1/7에 불과합니다. 특수 장비와 높은 비용이 필요하지만, 하중을 받는 구조 부품을 대체하는 데 큰 장점이 있습니다.

출처:  https://3dprintingindustry.com/

소재 가공과 공정 관리

분쇄된 카본 파이버(Chopped Carbon Fiber)

카본 파이버 3D 프린팅에서는 1mm 이하의 짧은 카본 파이버가 열가소성 플라스틱(PLA, PETG, ABS 등)에 균일하게 섞여 소재의 강도와 강성을 높입니다. 카본 파이버 충전 소재는 부품의 기계적 성능을 크게 개선하지만, 섬유의 높은 경도와 내마모성 때문에 노즐 마모가 빠르게 진행될 수 있습니다. 그래서 스테인리스, 경화강 또는 텅스텐 카바이드 노즐 사용을 권장합니다. 또한 카본 파이버 함량이 너무 높으면 출력물 표면 품질에 영향을 줄 수 있으니, 필요에 맞게 적절한 비율을 선택하는 것이 중요합니다.

프린팅 세팅 측면에서는 카본 파이버 강화 소재의 적정 온도가 기본 소재와 비슷한 경우가 많습니다. 예를 들어, CF-PLA는 일반 PLA 출력 파라미터를 참고할 수 있지만, 카본 파이버가 첨가되면 용융 흐름성이 달라질 수 있으니 출력 속도를 30~50mm/s 정도로 약간 낮추는 게 층간 접착력을 높이는 데 도움이 됩니다. 출력 후에는 카본 파이버 입자가 노즐 안에 남아 있을 가능성이 크기 때문에, 15~20cm 정도의 순수 PLA 필라멘트를 사용해 노즐 청소를 해주는 것을 권장합니다. 카본 파이버의 높은 마모성은 노즐 수명을 단축시키므로, 정기적으로 노즐 마모 상태를 점검하고 내마모성 노즐로 교체하는 것이 출력 품질과 장비 수명을 유지하는 데 매우 중요합니다.

연속 카본 파이버 (Continuous Carbon Fiber)

카본 파이버 충전 필라멘트와 달리, 연속 카본 파이버는 추가적인 연속 섬유 보강 공정(CFR, Continuous Fiber Reinforcement)을 통해 구현됩니다. CFR 기술을 사용하면 사용자가 부품에 들어가는 연속 섬유의 양을 자유롭게 조절할 수 있고, 하중 요구에 따라 섬유 배열을 전략적으로 설계해 최적의 성능을 낼 수 있습니다. 이렇게 최적화된 부품은 제조 시간과 비용도 줄일 수 있죠.

Markforged(https://markforged.com/)에 따르면, 연속 섬유 사용 시 다음 두 가지 핵심 방법으로 조절이 이뤄집니다:

1. 부품 각 층마다 연속 섬유를 넣을지 여부 결정
2. 보강이 필요한 각 층의 보강 전략 결정

연속 섬유를 활용한 대표적인 부품 보강 방식은 다음과 같습니다:

샌드위치 패널(Sandwich Panels)

전통 복합재 적층 방식과 비슷하게, 부품의 상하단에만 연속 섬유를 추가합니다. 대부분의 굽힘 하중 조건에서 부품 표면에 가장 큰 응력이 걸리므로, 샌드위치 패널은 Z축 방향 힘에 저항하는 데 효과적입니다.

쉘(Shells)

샌드위치 패널과 비슷하지만, 각 층 벽면 내부에 연속 섬유가 닫힌 루프 형태로 배치됩니다. 쉘 보강은 XY 평면 방향의 힘을 견디기 위해 각 층의 주변에 연속 섬유를 배치하는 방식입니다.

스트립(Strips)

샌드위치 패널 방식과 유사하나, 부품 내 중요 구역에 ‘스트립’ 형태로 연속 섬유를 추가합니다. 스트립은 높은 샌드위치 패널에 하중을 분산시키고 내부 채움 부품의 좌굴 위험을 줄이는 데 쓰입니다.