▲ 1m 금속 3D프린터를 개발한 원자력연구원 핵연료안전연구부 이성욱 선임연구원(左)과 김현길 부장.

국내 연구진이 1m 크기의 금속 부품을 제작할 수 있는 3D프린터를 개발하고 원자력 부품 등 적용에 나선다.

한국원자력연구원(원장 박원석)은 ‘1m 크기 부품 제작용 PBD(Powder Bed Fusion, 분말 소결) 방식 3D프린터’를 개발했다고 지난 24일 밝혔다. 금속 절삭기계 전문 제조기업인 씨에스캠㈜(CSCAM, 대표 이철수)과 공동 협력한 결과다.

PBF 방식 3D프린팅은 얇게 펼친 분말에 레이저나 전자빔을 정밀하게 조사해 녹이는 방식으로 복잡한 형상의 정밀부품 생산에 유리해 현재 가장 보편적인 금속 3D프린팅 기술로 알려져 있다. 그러나 분말 베드 크기에 한계가 있어 산업용으로는 가로 기준으로 0.5m도 큰 편에 속한다.

이에 원자력연구원 김현길 박사팀은 이같은 크기 제약을 없애고자 ‘병렬확장 기술’을 고안했다. 프린터의 핵심부품인 레이저 소스와 스캐너 두 세트를 나란히 연결한 것이다.

한곳에 고정된 레이저 소스는 거울처럼 반사하는 특성의 스캐너를 거쳐, 가로 0.5m, 세로 0.5m 면적에 빛을 고루 전달한다. 이번 프린터에는 레이저 소스와 스캐너가 각각 2개씩 설치돼 가용 범위를 가로 기준 1m로 늘렸다.

PBF의 장점인 높은 정밀도를 유지하려면 두 레이저가 중첩되는 부분에 대한 정밀 제어가 관건이다. 연구진은 실험과 시뮬레이션 프로그램을 병행해 레이저 속도, 패턴 등에 대한 변수 값을 구축했다. 이로써 열과 응력에 따른 변형을 사전에 예측해, 연결 부위를 결함 없이 매끄럽게 만들 수 있다.

이 기술은 현재 특허 출원을 앞두고 있다. 또한, 레이저 소스와 스캐너를 가로와 세로 방향 모두 0.5m씩 추가 연결할 수 있어 향후 ‘수 m 부품 제작용 프린터’ 개발도 가능할 것으로 전망된다.

연구원은 프린터를 활용해 원전 열교환기, 임펠라 등 니켈 합금 소재의 시작품 5종 제조에 성공했다. 씨에스캔㈜과 지금까지 확보한 PBF 3D프린터 대형화 기술을 더욱 고도화시켜, 부품별로 맞춤형 공정 및 품질인증을 제공할 계획이다.

특히 단종된 부품의 실물을 스캔해 제조하는 역설계, 혁신형 소형모듈원자로(i-SMR) 및 우주용 초소형 원자로의 핵심부품 개발 및 제조 등에 중점을 두고 있다.

박원석 원자력연구원 원장은 “이번 PBF 3D프린터의 제조 한계 극복은 연구원의 선도적인 기술 혁신 성과”라며, “앞으로 첨단 원자력 기술은 물론, 에너지‧환경, 국방, 우주 산업 등 타 산업 대형 부품 제조에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

▲ 이번에 개발된 3D프린터로 제작한 열교환기 절단면(左)과 임펠라