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제목 금속 적층제조기술 新물결, 제조업 적용 확산 물꼬 튼다
작성자 최고관리자 등록일 2020-08-14 15:12 조회수 61

금속 적층제조기술 新물결, 제조업 적용 확산 물꼬 튼다 


3D프린팅연구조합 강민철 상임이사



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금속 적층제조장비는 레이저, 전자 빔(Electron Beam), 플라즈마 등의 에너지를 사용하여 금속분말 또는 금속 와이어를 직접 용융시켜 3차원 형상을 제작한다.


현재 금속 적층제조기술의 대부분은 금속분말을 아토마이저 방식 등으로 급랭하여 구형화된 분말을 사용하는데, Powder Bed Fusion(PBF)와 Directed Energy Deposition(DED) 방식이 대표적이다.


홀러스리포트 2020에 따르면 2019년 전세계 금속장비 판매대수는 2,327대로 판매액은 1조2천억원을 넘었으며 분말 및 와이어 등 금속소재 시장은 4천억원 이상으로 보고되고 있다. 금속 PBF 방식은 금속장비 중 판매 비율이 90% 이상 차지하고 있는데 이는 부품의 복잡한 형상구현이 가능하고 경량화하기에 유리한 방식이기 때문이다.


PBF 방식은 분말공급 장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수십 ㎛의 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사(照射)한 후 한층 한층씩 용융시켜 쌓아 올라가는 방식이다. 복잡한 형상의 구현이 가능하여 우주항공, 메디컬, 자동차부품, 입체냉각몰드 등에 설계자유도가 우수하기 때문에 경량화와 효율성 관점에서 장점이 많으나 적층제품의 크기에는 한계가 있다.


그러나 최근 합금화된 금속 와이어를 사용(w-DED)하거나 수지와 금속분말을 혼합하여 필라멘트를 기본 소재로 하는 재료 압출(Material Extrusion:ME) 방식, 그리고 금속분말을 일정한 두께로 도포하여 바인더를 선택적으로 뿌리는 방식인 바인더젯(Binder jetting) 방식 등이 여러 회사에서 개발되어 시판 또는 출시를 앞두고 있다.


■ 저렴한 소재비로 고속적층이 가능한 w-DED 기술 각광


DED 기술은 kW급의 집속된 열에너지를 사용하여 소재의 용해 및 응고과정을 통한 3차원 형상을 구현하는 적층기술이다. 즉 레이저빔과 같은 고에너지원의 조사에 의해 모재표면에 형성된 용융풀(melt pool)에 외부로부터 분말소재를 공급하여 급속용융과 응고과정을 거쳐 모재표면에 새로운 층을 만들고, 이층을 CAD Data로부터 산출된 공구경로에 따라 반복적으로 적층하여 조형하는 기술이다.


DED 기술은 금속분말을 주로 이용하나 최근 와이어를 사용하는 w-DED 기술이 보급되고 있다. 이 기술은 용접의 원리와 같이 와이어를 용융시켜 용융풀을 형성한 후 기계가공으로 마무리하는 방법이다. 와이어를 사용하는 경우는 시간당 적층속도가 대단히 빨라 독일, 미국 등에서 다양한 장비와 제품들이 시도되고 있다. PBF에 비교하여 형상자유도가 떨어지는 단점이 있지만 소재가격도 분말에 대비하여 저렴하고 절삭가공에 비해 저비용으로 부품생산이 가능하여 방산부품이나 우주항공 분야에서의 성공사례가 잇따라 보고되고 있다. DED 기술의 최대 장점은 금속제품의 조직이 치밀하여 강도 및 연신율 등 기계적 물성이 매우 우수하다는 것이다. 그러나 복잡한 over-hang 구조는 불가능하며, 내부의 중공화가 부분적으로 가능하기 때문에 경량화와 구조강성 향상을 위한 적층제조의 장점을 극대화하기에는 어려운 단점이 있다.


■ MIM 기술을 대체할 BJ


최근 금속분말에 바인더를 선택적으로 분사하여 부품을 제조하는 BJ(Binder Jetting) 방식이 대세를 이루고 있다. 이 기술은 ExOne, 데스크탑 메탈(DeskTop Metal), Xjet, GE Additive 등 무려 58개사에서 개발 중이다. 최근 플라스틱 장비의 대표주자인 HP와 스트라타시스(Stratasys)에서도 개발을 마무리하고 시판 예정으로 있어 금속장비 시장의 변화가 예상되고 있다.


이러한 BJ 방식은 전통적인 MIM(Metal Injection Molding, 금속사출성형)과 유사한 형태이나 금형이 필요 없다. MIM의 기본 원리는 바인더와 금속분말 혼합물을 금형에 주입하여 탈지 후 소결의 과정을 거친다. 이에 반해 BJ는 30㎛ 이하의 분말을 베드에 도포하고 노즐에서 액상 바인더를 한층한층마다 선택적으로 분사한 후에 각 레이어마다 열을 이용하거나 별도의 오븐에서 경화된다. 성형단계 이후에는 MIM의 후공정과 마찬가지로 탈지(debinding)와 소결(sintering)과정을 거쳐 최종 부품이 형성된다.


이 공정으로 적용될 수 있는 부품은 생산 개수가 많은 소형제품에 적용이 될 가능성이 매우 높아 전통적인 분말야금이나 MIM을 대체할 가능성이 높다. 그러나 소형부품이 아닌 경우 탈지 과정에서 내부기공이 다수 존재하며 고온·고압 등의 극한 환경에 적용되는 부품의 경우 기계적 강도값이 낮아 엔지니어링 부품에는 많은 한계가 있을 것으로 보여진다.


PBF와 같이 금속 분말의 형상과 크기에 민감하지 않고 고가의 레이저 소스가 필요 없어 장비가격이 저렴하고 부품 개당 제조시간이 단축되어 대량 생산시 양산가능성은 대단히 높을 것으로 판단된다.


w-DED, 소재가격 절반 수준 방산·중대형 부품 적용 확대

BJ·ME, 지그·車 부품제작 활용 높아, 수축문제 해결 관건


■ 신소재 적용이 기대되는 ME


이 방식은 ABS나 PLA 필라멘트를 사용하는 FDM방식과 원리는 동일하다. 재료는 금속과 수지의 혼합물을 사용하며 통상적으로 20%의 열가소성수지와 80%의 금속분말을 혼합하여 압출방식으로 필라멘트 또는 봉재형태를 사용한다.


이 방식은 DeskTop Metal과 마크포지드(Markforged) 등에서 개발한 바 있으며 각 회사별로 소재형태나 적층방식에는 약간의 차이가 있다. 수지와 혼합된 금속 필라멘트 또는 6mm 봉재는 적층시 필라멘트에 연성을 부여하기 위해 별도의 예열이 필요하고 서포트를 위해서 세라믹 재료를 동시에 압출하기도 한다.


적층이 완료되면 탈지와 소결과정을 거쳐 최종적인 제품이 완성된다. 소재가격이 다소 고가인 것이 단점이나 장비 구조가 단순하고 서포트 절단과정이 쉽다. 기존 PBF에서 적층하기 힘든 자성소재나 구리 등과 같은 고열전도율 소재의 부품 개발이 보다 용이할 것으로 판단된다.


이 방식은 BJ와 마찬가지로 소결과정에서의 수축에 따른 기공 및 형상 정밀도에는 문제가 있으나 기능성 시제품, 지그 & 픽스처, 소형금형 제작에는 활용될 가능성이 매우 높다.


이상 w-DED, BJ, ME 방식은 최근 몇 년간 장비 점유율이 증가하고 있으나 아직까지 전 세계 장비판매량은 비교적 정밀하고 형상자유도 구현에 유리한 PBF 방식이 월등히 많다.


PBF 방식의 경우 우주항공 분야 및 의료, 산업용 부품에 널리 사용되고 있으나 장비 및 분말가격이 다소 높고 적층속도가 낮아 산업화의 걸림돌이 되고 있다. 와이어를 사용하는 경우 PBF 분말소재 가격의 절반수준으로 방산 부품이나 중대형 산업용 부품에 활용될 가능성이 높아 미국, 독일 등의 대형부품에 적용사례가 증가하고 있다. BJ와 ME의 경우 대형제품을 제작하기에는 탈지와 소결공정에서 수축이 일어나고 내부기공이 단점으로 지적되고 있으나 강도가 중요시되지 않는 각종 지그나 자동차 부품제작에는 대단히 유리할 것으로 보인다. 따라서 이들 장비의 선택은 각 장비의 장단점과 대상 부품을 선정하여 신중하게 고려해야 것이다.

3552644236_YbK5tj03_1.jpg▲ w-DED 방식으로 제작된 프로펠라. 형상 자유도에는 한계가 있으나 4축이나 5축 장비를 활용하여 기술이 진보되고 있다.(사진:강민철 3D프린팅연구조합 상임이사)


3552644236_hw4YpyQN_2.bmp▲ BJ방식으로 제작된 임펠라 (Formnext 2019 HP 부스, 사진:강민철 3D프린팅연구조합 상임이사)