“복잡한 구조도 빠르게 적층제조 OK” 금속 3D프린팅 신기술 국산화

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국재료연구원은 송상우, 김찬규, 서강명 박사 연구팀이 창원대 조영석교수, 한국기계연구원 조대원 박사와 공동연구를 통해 3차원 공간에서 금속을 자유롭게 연속적으로 프린팅할 수 있는 금속 3D프린팅 펜 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

연구팀이 개발한 금속 3D프린팅 펜 기술은 3차원 공간에서 용접토치가 움직이는 방향으로 금속을 자유롭게 연속적으로 적층제조할 수 있는 장점이 있다. 레이저를 사용하는 기존의 금속 3D프린팅과 비교해 장비 구축 비용이 저렴하고, 상용 용접재료를 사용해 빠르게 적층제조할 수 있어, 경제성까지 갖췄다.

용접기법을 사용하는 금속 적층제조는 한 층씩 쌓아가는 제한된 공정이기 때문에 복잡한 구조물을 구현하기에 한계가 있다. 이는 용융금속이 흘러내리지 않도록 완전히 응고된 후 후속층을 적층하기 때문이다. 이로 인해, 냉각 시간이 필요하고 적층할 수 있는 조건이 아래 보기로 제한되는 단점이 있다. 연구팀은 이를 해결하고자 용융금속의 표면장력과 대류/전도에 따라 응고되는 부피를 전산해석으로 계산해 정밀하게 제어했다. 또한, 수평‧수직‧경사‧오버헤드 등 모든 조건에서 금속 적층제조를 할 수 있는 기술을 개발했다. 이는 완전히 응고되기 전에 액상에서 연속적으로 적층하기 때문에 제조시간이 단축되고 층간 경계가 없으며 치밀한 미세조직을 형성해 우수한 기계적 물성을 가진다.

2021년 기준, 국내외 3D프린터 시장 규모는 각각 821억 원과 21억 달러로 성장 규모는 연평균 10.5%와 20%에 달한다. 이번 연구성과는 금속 적층제조 분야에서 기술적 우위에 선점하고, 이를 활용해 고부가가치 기계와 부품을 제조함으로써 제조산업에 활력을 줄 것으로 기대된다.

송상우 박사는 “기존의 금속 적층제조 공정에서 불가능하다고 여겨졌던 연속 적층제조 공정에 3차원 자유 형상 적층제조까지 더했다”라며 “폴리머를 사용하는 기존의 3D프린팅 기술과 마찬가지로 기존 금속 용접재료를 사용해 복잡한 구조를 손쉽게 제조할 수 있게 되어 제조산업의 새로운 패러다임을 제시한 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 2월호 표지논문으로 선정돼 게재됐다.