제조업의 미래와 금속 3D 프린팅 공법

l 글 과학기술칼럼니스트 이준정 박사

l 금속 3D 프린팅 시대가 온다

△ 이미지 출처 – 픽사베이,  CNC 밀링머신

전통적으로 기계부품 제조는 절삭가공법을 활용해 왔다. 주조나 단조 방법으로 최종 부품 형상에 근접하게 만든 다음에 최종적으로 CNC 등을 이용해 필요 없는 부위를 제거하여 최종 형상을 얻는 방법이다. 절삭 가공은 고속으로 부품 제작이 가능하지만 소재의 대부분을 깎아서 버린다는 점에서는 비경제적이다. 특히 고가의 소재이거나 절삭 가공이 어려운 소재인 경우엔 더욱 바람직하지 않다.

이와 반대로 첨삭 제조, 즉 소재를 얇은 층으로 적층해서 3차원적으로 최종 형상을 얻는 3D 프린팅 공법이 있다. 표면을 추가로 연마하거나 표면 가공을 하면 미려한 외관을 얻을 수 있다. 장점은 버리는 소재가 거의 없고 별도의 금형이나 공구가 없이도 다양한 시제품을 제작해 볼 수 있는 점이다. 단점은 제조 시간이 너무 길어서 생산성 측면에서는 선택하기 힘든 방법이다.

△ 이미지 출처 – 위키피디아

미국의 대표적인 제조업체인 제너럴 일렉트릭(GE)은 최근에 3D 프린팅 전문 업체인 아캄(Arcam)과 에스엘엠솔루션스(SLM Solutions)를 합병하여 GE항공에 배속시킴으로써 본격적으로 3D 프린터 제조업에 뛰어들었다. 지금까지 3D프린팅 기술은 주로 플라스틱 소재를 대상으로 발전해 왔는데, GE의 도전적인 3D 프린터 사업 진출 모습을 보면 금속제조업의 주요 부품들을 3D 프린팅으로 제조하는 기술이 부상하고 있음을 알 수 있다.

독일의 에스엘엠솔루션스는 티타늄, 특수강, 알루미늄, 코발트-크롬, 니켈 기 합금 등 금속 분말을 레이저로 녹여 인쇄하는 직접금속레이저소결(DMLS) 공법의 대표적 기업이다. 스웨덴의 아캄은 100가닥의 전자 빔을 동시에 주사해서 고속 3D 프린팅을 구현하는 멀티전자빔용해(EBM) 공법을 비행기 엔진의 터빈 날개 제조에 적용하여 비행기 부품을 제조해 왔다. 이들 합병기업들의 기술을 결합하면 새로운 고속 3D 금속 프린터가 등장할 수도 있다.

△ 이미지 출처 – WHwiliams, 3D 프린터로 만든 부품

다국적 특수강업체인 풰스트알피네(Voestalpine Group)는 최근에 금속 3D 프린팅 연구개발센터를 설립했다. 이곳에선 자동차, 항공기, 의료기기, 공구로 제조할 수 있는 복잡한 금속부품들을 3D 프린팅으로 제조하는 기술을 개발한다.

부품을 3D 프린팅 하려면 고품질의 금속 분말이 필요하다. 원료 금속들을 진공용해하여 합금을 만든 다음에 고압의 불활성가스와 함께 노즐을 통해 분사 시키는 아토마이징법으로 금속합금분말을 제조한다. 분말의 모양은 아주 둥글고 크기도 균일해야 하므로 합금의 종류에 따라서 노즐을 통과하는 분사량, 온도, 압력, 가스의 양, 속도 등을 미세하게 조절하는 것이 기술의 핵심이다. 아토마이징된 분말은 여러 단계의 체로 걸러서 20~100μm의 크기 별로 분류한다.

또 제조할 부품을 먼저 3D 프린팅 공법에 맞게 설계하는 것도 중요하다. 부품의 단면을 한 층씩 쌓아 올리는 방식이므로 밑바닥부터 위쪽으로 최종 부품의 형상이 될 때까지 레이저나 전자 빔 선으로 스캐닝하여 만들어 갈 면을 정해 줘야 한다. 디자인된 선과 면을 따라서 미세한 직경의 레이저 빛이 통과할 때마다 국소적으로 금속 분말이 녹았다가 이전에 적층한 면 위에 다른 층이 만들어 내는데, 이때 부품의 기계적 성질이 방향성을 가질 수 있기 때문에 각 단면 안에서도 선을 그리는 순서나 방향도 매우 중요하다.

△ 이미지 출처 – WHwiliams, 3D 프린터로 만든 부품

3D 프린팅 과정에서 금속분말 입자가 덜 녹거나 응고가 지연되면 미세한 기공이 발생한다. 하중을 지탱하는 부품은 피로 강도나 파단 인성이 매우 중요하므로 내부에 미세한 기공이나 기포는 커다란 결함이 된다. 인쇄된 부품의 밀도를 100%가 되도록 하려면 합금에 따라서 빔의 이동속도를 조절해 주며 기포가 발생하지 않도록 해야 한다.

특히 합금 성분의 금속을 사용하는 경우에는 더 주의가 필요하다. 순 금속과 달리 금속 합금은 성분 원소들 간 용융 온도의 차이가 크면 고체와 액체가 공존하는 온도 구간이 커지게 되는데, 이런 경우 기포가 생기기 쉽다. 따라서 합금 특성도 중요하지만 용융점이 뚜렷한 합금 조성이 필요하고, 녹는 온도 구간을 최대한 좁게 유지할 수 있어야 한다.

즉, 부품을 3D 프린팅 하기에 적합한 합금 개발과 최종 부품의 단면을 정하고 빔을 통과시키는 패스를 설계하는 기술이 3D 프린팅 공법을 활용한 부품 설계 및 제조기술의 핵심이다. 추가로, 3D 프린팅 할 부품의 단면 두께는 금속 분말의 직경과 밀접한 관계가 있기 때문에, 입자가 굵으면 두껍게 설계하고 입자가 가늘면 얇게 설계하도록 한다.

l 3D 프린팅 공법의 미래와 과제

3D 프린팅 공법은 통상적인 정밀주조법이나 가공법으로는 제조가 불가능한 아주 복잡한 구조 부품을 완벽하게 제조할 수 있다는 점에서 같은 용도의 부품이라도 부품의 구조를 전혀 다르게 설계할 수 있다. 따라서 무게를 줄이거나 냉각 성능을 높이거나 기능성을 향상시킬 수 있다.

특히 기존의 가공법으로는 적용할 수 없는 특수 성분의 합금으로 최종 형상의 부품을 직접 제조할 수 있다. 지금까지는 3D 프린팅에 적용한 금속이 한정된 몇 가지로 국한되어 있지만 철강 소재는 가격이 저렴하고 강도 특성도 우수하므로 부품의 용도에 맞는 특수강 성분을 3D 프린팅 소재로 개발하면 3D 프린팅을 광범위하게 활용할 수 있다.

3D 프린팅은 금속분말들이 순간적으로 용착되므로 합금원소들이 확산되지 않고 편석이 거의 없으며 결정립이 미세한 과포화 고용체 합금을 얻을 수 있다. 또 균일한 조직을 얻기도 쉽다.

△이미지 출처 – 플리커, 금속 3D 프린터

GE를 비롯한 전통적인 금속부품 제조기업들이 디지털 제조업으로 전환하는 길을 3D 프린팅 공법에서 찾고 있다. 최종 부품을 정밀하게 설계하는 소프트웨어, 고속 3D 프린팅 장비, 그리고 프린팅 소재가 일체가 되는 3D 프린팅 제조 공법이 해답을 준다고 믿는다.

이와 함께 부품 제조업이 원하는 특성에 맞는 다원계 특수강 합금을 찾아내는 일은 소재 기업들의 과제이다. 3D 프린팅이 특수강 부품 생산에 매우 적합한 공법으로 인식되도록 다양한 분말 합금들이 개발되길 기대해 본다.

* 포스코리포트는 해당 분야 전문가 필진이 직접 작성한 것으로, 포스코의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.