금속 3D 프린팅 신기술 확보

KIMS 등 공동연구팀, 금속 3D 프린팅 펜 적층가공 원천기술 개발

국립과학기술연구회

이미지: 금속 3D 프린팅 펜 프로세스의 개념도더보기

출처: 한국재료과학연구원(KIMS)

□ 정부출연연구소인 한국재료과학연구원(KIMS) 접합기술부 송상우 박사, 김찬규 박사, 서강명 박사 연구팀 과학기술정보통신부가 용접기법을 활용해 금속을 3D프린팅하는 과정에서 용탕량을 제어하는 ​​기초기술을 개발했다. 창원대학교 기계공학과 조영태 교수, 김석 교수 연구팀과 부산기계연구소 조대원 박사 연구팀의 공동 연구를 통해 이를 달성했다. 한국기계연구원. 그 결과, 3차원 공간에서 자유롭게 금속을 연속적으로 프린팅할 수 있는 금속 3D 프린팅 펜 기술 개발에 성공했다.

□ 연구팀이 개발한 금속 3D 프린팅 펜 기술은 3차원 공간에서 용접 토치가 움직이는 방향으로 자유롭고 연속적으로 금속을 프린팅할 수 있다는 장점이 있다. 레이저를 이용한 기존 금속 3D 프린팅에 비해 장비 구성 비용이 저렴하고, 시중에서 판매하는 용접 재료를 이용해 적층 가공을 빠르게 수행할 수 있어 경제적이다.

□ 용접기법을 이용한 금속 적층가공은 한 번에 한 층씩 쌓아가는 한정된 공정으로 복잡한 구조를 구현하는데 한계가 있다. 이는 완전히 응고된 후 후속 층을 적층하여 용탕이 흘러내리는 것을 방지하기 때문입니다. 이로 인해 냉각시간이 필요하고, 적층할 수 있는 조건이 특정 예로 제한되는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 대류/전도에 따른 용탕의 표면장력과 응고체적을 계산하고 정밀하게 제어하기 위해 컴퓨터 분석을 실시했다. 또한 수평, 수직, 경사, 머리 위 위치 등 모든 조건에서 금속 적층 가공을 수행할 수 있는 기술을 개발했습니다. 금속이 완전히 응고되기 전에 액상에서 연속적으로 적층함으로써 제조시간이 단축되고, 층간 경계가 없으며, 기계적 성질이 우수한 치밀한 미세구조를 형성합니다.

※ 연성의 경우 기존 WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing) 대비 24.5% 향상Inconel 625 기반의 공정(WAAM:아크 열원을 이용한 와이어형 재료의 용접 및 적층 가공(AM))

□ 2021년 기준 3D프린터 시장 규모는 국내외 각각 821억 원, 21억 달러로 연평균 성장률 10.5%, 20%를 기록하고 있다. 이번 연구 성과는 금속 적층 가공 분야의 기술 우위를 선점하고 이를 활용해 고부가가치 기계·부품을 제조함으로써 제조업에 활력을 불어넣을 것으로 기대된다.

□ 연구를 맡은 KIMS 송상우 책임연구원은 “기존 금속 적층가공 공정에서는 불가능하다고 여겨졌던 연속 적층가공 공정에 3D 자유곡면 적층가공을 추가했다”고 말했다. 이어 “기존 폴리머를 활용한 3D 프린팅 기술처럼 기존 금속 용접재료를 이용해 복잡한 구조물도 쉽게 제작이 가능해 제조업의 새로운 패러다임을 제시한다”고 말했다.

□ 본 연구결과는 한국재료과학연구원의 '다목적 마이크로 모듈러 원자로용 다중금속층재료 개발' 과제로 과학기술정보통신부 지원으로 수행된 결과입니다. 또한, 이번 연구 결과는 세계적 학술지 어드밴스드 사이언스(IF=17.521) 2월호 표지논문으로 선정됐다. 현재 연구팀은 원자력발전소와 방위산업 분야의 고부가가치 기계·부품 적층가공을 위한 후속연구를 지속하고 있다.