Additive Manufacturing of Continuous Fibre-Reinforced UV-Curable Epoxy Composites via Peristaltic-Driven Direct Ink Writing

기술 요약: 연동 펌프 구동 직접 잉크 쓰기(DIW)를 통한 연속 섬유 보강 UV 경화 에폭시 복합재의 적층 제조

문제 제기
연속 섬유 보강은 고분자 복합재의 기계적 특성을 크게 향arly 개선하지만, 전통적인 제조 방식(예: 필라멘트 와인딩, 인발 성형, RTM)은 복잡한 툴링, 긴 공정 시간, 제한된 기하학적 다양성이라는 한계가 있다. 적층 제조(AM)는 복잡한 형상을 제작할 수 있는 경로를 제공하지만, 기존 기술들은 특정 난관에 직면해 있다. 퓨즈드 필라멘트 패브리케이션(FFF)은 종종 열적 제한으로 인해 최적화되지 못한 섬유 부피 분율과 약한 층간 결합 문제를 겪는다. 다른 직접 잉크 쓰기(DIW) 설정은 단일 섬유 유형(취성이 있는 유리 섬유 또는 사전 처리가 필요한 유연한 아라미드 섬유)에 국한되는 경우가 많으며, 연속적인 섬유-수지 압출, 일관된 함침 달성, 그리고 퇴적된 트랙 내에서의 섬유 정렬 유지에 어려움을 겪는다. 또한, 마이크로파 보조 프린팅에서의 균일한 가열 문제와 로봇 보조 프린팅의 높은 비용 및 복잡성도 과제로 남아 있다.

방법론
본 연구는 연속 섬유와 저점도 광경화성 열경화성 에폭시 수지의 공동 압출을 위해 설계된 새로운 연동 펌프 구동 DIW 시스템 개발을 보고한다.

• 하드웨어: 시스템은 3축 갠트리(Creality Ender 3 Pro에서 파생됨)에 장착된 맞춤형 압출 헤드를 활용한다. Kamoer 연동 펌프가 수지의 흐름을 조절하며, 연속 섬유(아라미드 및 유리 섬유)는 노즐을 통해 "자기 압출(self-extruded)"(당겨짐)된다. 맞춤형 UV 경화 모듈(0.405 W/m² 피크 강도)이 노즐 인접 부위에 통합되어 퇴적 즉시 중합을 개시한다.
• 소프트웨어: CAD 모델링을 위한 FreeCAD, 슬라이싱을 위한 CURA, 그리고 G-code를 처리하기 위한 맞춤형 MATLAB 알고리즘을 사용하는 워크플로우를 구축하였다. 이 알고리즘은 특정 하드웨어 파라미터(프린트 속도, 압출 배수, 스탠드오프 거리)에 맞춰 툴패스를 조정하며, 다양한 퇴적 패턴(수평, 수직, 격자형, 원형)을 지원한다.
• 재료: 두 가지 연속 섬유 유형이 개별적으로 테스트되었다: 100% 파라아라미드 사(직경 0.2–0.3 mm)와 유리 섬유(직경 0.1–0.2 mm). 매트릭스는 UV 경화성 에폭시 수지(점도 ~530 cP, 밀도 1.15 g/cm³)를 사용하였다.
• 제조: 1 mm 노즐, 300 mm/min 프린트 속도, 0.5 mm 스탠드오프 거리(SoD)를 사용하여 다양한 기하학적 구조(지그재그, 원형, ±45° 교차 적층)로 샘플을 출력하였다. 섬유 부피 분율($V_f$)은 아라미드의 경우 ~14.06%, 유리 섬유의 경우 ~6.25%로 계산되었다.
• 특성 분석: 제작된 복합재는 유변학적 분석, 주사 전자 현미경(SEM), 에너지 분산형 X선 분광법(EDX), 인장 시험(ASTM D638), 표면 거칠기 측정(코팅 전후), 그리고 100 Hz에서 300 kHz 범위의 유전 특성 평가를 거쳤다.

주요 기여

1. 새로운 시스템 설계: 사전 함침 없이 단일 플랫폼에서 두 가지 서로 다른 섬유 유형(유리 및 아라미드)을 개별적으로 다룰 수 있는, 섬유의 자기 압출과 펌프 구동 압출을 활용하는 연동 펌프 구동 DIW 설정의 개발.
2. 공정 최적화: 적응형 툴패스 생성과 중앙 섬유 배치 및 제어된 섬유-수지 상호작용을 촉진하기 위한 스탠드오프 거리(SoD) 최적화 입증.
3. 비교 분석: 아라미드와 유리 섬유 복합재의 인쇄 충실도, 기계적 성능 및 표면 형태에 대한 종합적인 비교를 통해, UV 경화성 수지 시스템 맥락에서 섬유의 강성과 유연성 간의 트레이드오프를 강조함.

결과

• 인쇄 품질 및 기하학적 형상: 유리 섬유 복합재는 아라미드에 비해 복잡한 툴패스(원형 및 교차 적층)에 대해 우수한 인쇄 품질과 순응성을 보여주었다. 아라미드 섬유는 높은 강성과 낮은 유연성으로 인해 상당한 "섬유 끌림(fibre drag)"(최대 12 mm 후퇴)과 날카로운 모서리에서의 좌굴 현상을 나타냈다. 유리 섬유는 더 나은 정렬 상태와 감소된 경로 편차를 유지했다.
• 미세구조 및 계면: SEM 분석 결과, 유리 섬유는 수지 젖음성으로 인해 단면의 중간층 근처에 자리 잡은 반면, 아라미드 섬유는 상단 표면에 더 가깝게 위치했다. 결정적으로, 아라미드 섬유는 UV 빛 투과를 방해하는 "차폐 효과(shielding effect)"를 나타내어 하부 수지의 불완전한 경화와 불량한 기판 결합을 초래했다. UV에 더 투명한 유리 섬유는 효과적인 경화를 가능하게 하여 더 나은 접착력을 보였다.
• 기계적 특성: 인장 시험 결과, 유리 섬유 복합재는 약 65 MPa의 피크 인장 강도(순수 수지 대비 62.5% 증가)를 달로한 반면, 아라미드 복합재는 ~62 MPa(55% 증가)에 도달했다. 아라미드의 높은 고유 강도에도 불구하고, 유리 섬유 복합재가 우수한 섬유-매트릭스 접착력, 더 나은 젖음성 및 적은 계면 결함 덕분에 실험적으로 더 우수한 성능을 보였다.
• 표면 거칠기: 코팅되지 않은 아라미드 복합재는 섬유 돌출 및 스프링백 현상으로 인해 높은 거칠기($R_a$ = 7.968 µm)를 보였으나, 유리 복합재는 더 매끄러웠다($R_a$ = 0.498 µm). 딥 코팅은 두 재료 모두의 거칠기를 유의미하게 감소시켜, 아라미드 $R_a$를 1.183 µm로, 유리 $R_a$를 0.209 µm로 낮추었다.
• 유전 특성: 섬유의 추가는 순수 수지의 유전 상수($\varepsilon_r$, 초기값 ~9)를 감소시켰다. 유리 섬유 복합재는 4.5에서 5.5 사이의 값을 보였고, 아라미드 섬유 복합재는 낮은 극성 및 높은 결정성으로 인해 가장 낮은 값(4.0–5.0)을 나타냈다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 UV 경화성 열경화성 수지를 위한 실행 가능한 자동화된 DIW 접근 방식을 입증함으로써 연속 섬유 보강 고분자 복합재(CFRPC) 분야를 발전시킨다고 주장한다. 이 연구는 아라미드 섬유가 이론적인 강도 이점을 제공함에도 불구하고, 이 특정 DIW 구성에서의 공정 제한(강성, UV 차폐, 불량한 젖음성)으로 인해 유리 섬유에 비해 열등한 성능을 보인다는 점을 강조한다.

본 연구는 개발된 시스템이 기계적 견고함과 유전 절연이 요구되는 항공우주, 자동차 및 전자 응용 분야의 부품 제작에 적합하다고 결론짓는다. 논문은 수지 배합 및 하드웨어 설계의 개선 영역으로서 섬유 끌림(sharp corners에서의), 기공 형성, 복잡한 기하학적 구조에서의 불완전한 UV 경화, 그리고 자동화된 섬유 절단 메커니즘의 부재를 향후 과제로 완곡하게 언급하였다.