금속 3d 프린팅 산업의 동향

 

최근 ‘미래 산업을 바꿀 7대 파괴적 혁신기술’이라는 보고서를 통해 삼성경제연구소는 3D프린팅 기술을

 

△웨어러블 디바이스

△상황인식 기술

△자동 주행차

△경량 소재

△유전자 치료제

△배터리 (포스트 배터리)와

 

함께 향후 10년 내에 구현될 가능성이 큰 혁신기술로 선정한 바가 있다고 합니다.

 

 

이들 기술은 새로운 시장과 사업모델을 만들어내는 기술로, 장기화되는 경제 저성장 국면을 타파할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있습니다. 이에 대하여 3D 프린팅 산업이 신산업으로 각광을 받고 있다고 합니다.

 

 

 

금속 3D프린팅 기술 개발 동향

 

3D프린팅에는 고분자, 세라믹, 섬유, 고무, 금속 등 다양한 소재를 적용할 수 있지만, 이들 소재 중 현재 상업적으로 직접 부품 제조에 활용되고 있는 것은 고분자 및 금속 소재로 볼 수 있다. 고분자 소재는 시제품 제작, 개인 맞춤형 제품, 피규어 등 다양한 분야에서 활용도가 높고, 현재 3D프린팅 제품이라고 하면 이들 고분자 소재를 활용한 제품을 떠올릴 만큼 전체 3D프린팅 시장에서 차지하는 비중이 높으나 소재특성 상 강도가 낮아 실제 산업용 구조용 부품 제조에 사용하기에는 어려운 부분이 있습니다.

 

금형, 금속 소재 부품 등 금속 제품을 대체하는 데는 한계가 있기 때문에 최근에는 실제 부품 제작, 의료용 임플란트, 금형 소재 등에 직접적으로 활용될 수 있는 금속 소재 3D프린팅 기술에 대한 관심도가 높아지고 있다.

ASTM에서 분류한 제조 기술 중에서 금속 소재를 이용한 3D프린팅 기술은 Powder Bed Fusion(PBF), Direct Energy Deposition(DED),  Binder Jetting(BJ), Sheet Lamination(SL) 등 4가지가 있다.

3D프린터용 금속 소재의 대부분은 금속판이나 와이어 타입의 사용은 많지 않으며, 대부분 PBF 방식이나 DED 방식으로 제조되기 때문에 금속분말이 대부분 사용된다. 금속 3D프린터의 기본은 SLS(Selective Laser Sintering; 선택적 레이저 소결)이며 공식용어는 PBF이다.

 

이는 구형 분말에 레이저를 조사해 녹인 후 적층시켜 입체 조형하는 방식으로 한층을 용융한 후 파우더 베드가 하강하고, 다시 한층에 분말을 공급하여 또다시 레이저를 조사하는 과정을 반복하게 되면서 3차원 형태의 제품이 완성된다. 수년전에는 결합강도가 약해 소결된 분말을 재소결하여 강도를 증진시켰으나, 최근에는 소결이 아닌 분말을 용해하여 후공정인 소결 공정을 없애는 방식이 보편화됐다. 아울러 최대 성형 크기도 증대되고 있으며, 수 마이크로 크기의 미세 분말을 사용하여 초소형 정밀 부품을 제조하는 장비도 소개되고 있다.

두 번째 방식인 DED 방식은 보호가스 분위기에서 분말을 실시간으로 공급하고, 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시 용융시켜 적층해 가는 방식이다. 이 2가지 방식의 특징을 표 2에 나타냈으며, 전세계 장비 판매량을 볼 때 비교적 정밀하고 형상자유도 구현에 유리한 PBF 방식이 월등히 많다. 이들 장비의 70%가 독일에서 생산되며, 2014년도 Concept Laser가 111대, EOS가 60대를 판매했다고 한다.

 

 

금속 3D프린터의 가장 보편화된 4대 소재는 타이타늄합금, Co-Cr강, 금형강, 인코넬합금으로 타이타늄합금 및 Co-Cr합금은 치과 및 인공뼈 등에 사용되며, 초내열합금인 인코넬합금은 우주항공용 연소기 부품 등에 사용한다. 금형용 부품 제작에는 프린터 제조업체별로 일반 금형강의 성분을 조절하여 3D프린터에 적용하고 있습니다.

 

그러나 경량 소재인 알루미늄이나 마그네슘합금은 소재 자체의 산화성 등으로 인해 일부 합금만 부분적으로 사용 또는 연구 개발되고 있다.

 

금속분말은 수십 나노미터에서 수백 마이크로에 이르기까지 다양한 크기를 가지는 금속입자를 통칭하며, 보통 가루 형태로 존재하여 체적 대비 표면적이 넓다. 또한 액체와 같은 유동성을 가지고 외부의 압력이나 고온에 노출될 경우 고체 고유의 특성을 얻을 수 있는 특징이 있으며 표면적이 넓어 분진 폭발의 위험성도 가지고 있다. 금속분말의 제조 방법으로 Atomizing(Water, Gas), Electrolytic, Chemical Reduction, Plasma Rotating Electrode Process(PREP) 등의 방법이 있는데, 구형화 및 회수율이 높은 Gas Atomizing 및 PREP 방법이 주로 사용되는 것으로 알려져 있다.

 

금속분말을 사용해 부품을 제조하는 기존의 분말야금 방법은 분말을 성형 압축시켜 소결이란 여러 공정을 거치게 되는데, 3D프린터를 활용하면 프린터 내에 공급된 금속분말의 국부적인 용융과 융착이 반복되는 간단한 제조 공정을 거쳐 일정한 형상의 부품이 제조된다. 또한 3D프린터를 사용하면 스크랩 등의 재료 손실도 없고, 유사한 디자인이나 형상 변경에 대한 설계 변경이 자유롭다는 장점이 있다.

 

아울러 기존 주조 방법으로 제조가 불가능한 언더컷, 다중공 형태 제품의 생산이 가능하며, 두께도 0.3mm 이하로 제작 가능하여 정밀한 부품 제조가 가능하고 Net-shape 성형이 가능하기 때문에 성형 이후 후가공 공정을 대폭 줄일 수 있다고 하니, 제대로 개발만 된다면 경제적으로 큰 이익을 가져다 줄 것으로 전망이 됩니다.

 

 

 

또한 분말 제조 기술이 난이도가 높고 각 합금마다 적층 조건이 다르기 때문에 3D프린팅에 적용할 수 있는 금속 소재가 제한적이지만, 다양한 Energy source의 개발 및 금속분말의 개발에 따라 시장 수요를 넓히고 있고 의료용이나 금형 냉각코어 제조 분야에서는 활용도가 급속히 높아지고 있습니다.

 

 

출처: 금속 적층제조기술의 국내외 개발동향과 기술적 이슈

 

메탈프린팅 제품의 응용분야는 크게 금형, 치과 및 의료분야, 자동차, 우주항공, 전자기기 등으로 나눌 수 있으며 현재의 적용분야와 미래의 적용가능 분야는 위에 표에 나타내었습니다.

 

우주항공 분야는 Airbus, GE 등에서 활발하게 진행 되고 있습니다. 터빈 브레이드, 연소기 부품, 각종 브라켓, 연료 노즐 등등 가시적인 성과 등이 속속 보고되고 있으며 주로 사용하는 소재는 Inconel 초내열합금 및 타 이타늄, CoCr합금 등이 주로 사용됩니다.

 

그러나 적층소재의 열응력, 피로강도, creep 특성 등에 대한 보다 신뢰성을 확보해야만 적용분야가 증가할 것으로 보입니다. 의료분야는 특히 개인 맞춤형으로 제작되기 때문에 기존 방식보다 신속하고 가격이 저렴한 장점이 있다. 활용되는 사례는 치과용 각종 크라운, 고관절 비구컵 등 인공뼈, 두개골 손상 후 머리 임플란트, 척추 임플 란트, 각종 수술용 도구 등에도 많이 사용되고 있다. 주된 재료는Co-Cr 합금 및 Ti 합금이 널리 사용되고 있으며 국내에도 확산되고 있어 향후 시장규모가 크질것으로 보인다.

 

자동차분야는 양산용이라기 보다는 주로 프로토 타입용으로 많이 제작되며, 일부 모터스포츠용의 튜닝제품, 단종모델의 부품 제작에 활용된다. 최근 디젤 직분사 엔진용 연료분사장치를 개발하여 연료효율을 향상시켰다고 보고가 있어 직제조한 부품이 양산차에 적용될수 있는 부품도 다수 있을 것으로 전망된다.

 

 

결론

 

적층제조기술이 대중들에게 알려진 것은 불과 수년이 지났으며 과거 만능의 도깨비 방망이처럼 포장이 되어 세간의 관심을 한몸에 받았으나 최근에는 그 열풍이 다소 잠잠한 감이 없지 않은 것 같습니다. 그러나 최근 피규어 등등의 생활 소품에서 생산기반형 부품의 성공사례가 속속 나오고 있으며 금속부품의 관심도는 급증하고 있다. 해외 적층 제조설비사들도 대형화와 적층속도 증가를 위한 멀티 레이저 시스템, 적층결함 실시간 검사기능, 고정밀화 및 초소형부품 제조 등 많은 혁신이 진행되고 있다.

 

우리나라도 윈포시스, 스맥, 센트롤, 인스텍 등의 장비 개발이 가속화되고 있으며 적층제조용 분말의 개발 성공 소식도 들려오고 있다. 현재 적층제조 기술에 있어서 금속 분야의 응용범위가 제한적이었으나 국내에도 장비 보급이 확산되고 있어 각종 금형제작, 의료분야, 로봇 부품, 방산 및 자동차 부품 제조도 점차 확산될 것으로 예상된다. 향후 KFX사업 등에서도 금속 적층기술을 도입할 예정으로 있어 그 전망은 밝다고 할수 있다.

 

국내외적으로 플라스틱 부품을 3D 프린터로 부품을 제조하는 기술은 도입기를 지나 성숙기로 접어들고 있으나, 금속으로 제조하는 기술은 선진국에 대비하여 기술격차가 크게 뒤떨어지지 않는 도입 성장기이기 때문에 우리나라도 장비제작을 비롯해서 보다는 시장규모가 더 큰 금속분말소재 및 응용분야를 확장하는 것이 시급하다.