▲ ㈜이엠엘이 직접 설계해 제작한 EIGA와 VIGA 장비를 통해 생산된 저가격·고품질 IN718 분말은 PBF 방식 금속 적층제조를 통한 프리챔버 양산에 적용 중이다.

첨단 합금소재·코팅 토털 솔루션 전문기업 ㈜이엠엘(EML, 대표 박은수)이 우주항공, 에너지, 방산 등 제조업에서 수요가 늘고 있는 적층제조(3D프린팅)용 니켈계 초내열합금(IN718) 분말을 본격 양산한다. 자체 기술로 분말 품질과 수율을 높이는데 성공해 글로벌 시장에 적극 진출한다는 계획이다.

이엠엘은 경기도 화성공장에 직접 설계해 제작한 EIGA(Electrode Induction Melting Inert Gas Atomization)와 VIGA(Vacuum Induction Melting Inert Gas Atomization) 장비를 통해 지난 2월부터 금속 적층제조용 니켈계 초내열합금(IN718) 분말을 월 1톤 이상 생산해 공급 중이다.

우주항공, 에너지, 방산 등에서는 높은 온도를 견디는 초내열합금에 대한 수요가 늘고 있다. 초내열합금을 대표하는 니켈계 초내열합금 중 IN(INCONEL)718은 니켈을 기본으로 크롬, 몰리브덴, 탄탈럼 등 희소금속을 넣어서 만든 것으로 1500℃ 이상의 온도를 견디면서 강도도 높아 항공엔진에 가장 많이 사용되고 있으며 로켓동체, 엔진 주요부품, 열교환기 및 리엑터 등 다양한 부품으로도 쓰이고 있다.

특히 가스터빈의 경우 단종 및 조달애로 부품 적기 수급과 함께 형상가공이 어려운 고온부품 및 고기능 혁신부품 확보를 위해 적층제조가 적극 도입되고 있다. 지멘스는 지난 2017년 세계 최초로 가스터빈 블레이드를 니켈 초내열합금 소재로 적층제조하고 실증하는데 성공한 바 있으며 국내에서도 정부 R&D를 통해 국방 무인기, 가스터빈 등에 IN718을 적층한 부품을 적용하기 위해 노력하고 있다.

적층제조용 IN718 분말은 세계적으로도 생산하는 업체가 손을 꼽을 정도로 적고 PBF 방식 적층제조의 경우 요구하는 분말 입도(15~45um)에 맞춰 소량 생산하다보니 가격이 매우 비싸다. 우리나라의 경우 해외 수입에 의존하고 있어 각 국의 수출규제 등 공급망 교란이 일어나면 수요처가 바로 타격을 입는 구조다.

이에 이엠엘은 적층제조용 IN718 분말의 수율을 극대화하기 위해 EIGA와 VIGA의 분사노즐 최적화, 분사장치의 가스 소모량 감소, 인공지능(AI) 기반 스마트화 등 자사가 보유한 기술을 통한 공정개선을 추진해 분말 제조 수율을 기존 50%에서 70% 이상으로 끌어올리는데 성공했다. 수율 향상으로 생산량이 늘어나면서 분말 가격은 외산대비 20~30% 낮아졌다.

이와 함께 분말의 품질을 높이기 위해 고청정·구형 분말 생산기술 향상과 함께 분말 결함을 최소화 할 수 있도록 불순물(N, O)의 함량을 줄이는 기술을 적용했다. 실제로 이엠엘이 생산한 IN718 분말로 적층제조한 부품의 인장 테스트 결과 연신율은 20.1%로 외산대비 약 1.6배 높으며 주·단조재와 유사한 수준을 보이는 것으로 나타났다.

현재, 이엠엘은 HD현대중공업 엔진연구소에서 세계 최초로 적층제조 방식으로 개발한 대형선박용 엔진 핵심부품인 프리챔버(pre-chamber) 제작에 국산화한 IN718 분말을 공급 중이다. IN718 분말은 HD현대 사내벤처 3D프린팅TF팀과 협력 개발되어 HD현대중공업 실제 선박에 적용되고 있어, 이엠엘이 생산한 IN718 분말의 신뢰성을 더욱 높여줄 것으로 기대되고 있다.

이엠엘은 이번 양산 경험을 토대로 니켈계 초내열합금(IN625, IN738LC), CM939W, 니켈계 ODS 등 고객사가 요구하는 다양한 초내열합금을 생산 및 양산 중이다.

또한 글로벌 시장 확대를 위해 오는 11월 7일부터 11일까지 독일 프랑크푸르트 메쎄에서 열리는 세계 최대 적층가공 전시회인 ‘폼넥스트(Formnext) 2023’와 11월27일부터 30일까지 경주화백컨벤션센터에서 열리는 ‘제6차 아시아 분말재료 국제학술대회 및 전시회(APMA 2023)’에 전시부스를 마련하고 △고기능 합금 기술(고비강도 비정질·나노 합금 설계, 고엔트로피 합금 설계, 고품질 광폭 금속 리본 제조) △금속분말 기술(고청정 구형 분말 제조, AI기반 분말 제조공정) △스퍼터링용 타겟(다성분계 합금 타겟, 나노 복합 코팅) △금속 3D프린팅 기술(DED 장비 및 소재·공정·출력·후처리 등)을 선보일 예정이다.

박은수 이엠엘 대표는 “다양한 산업에 필요한 고기능 신금속 소부장 솔루션을 고객 맞춤형으로 제공하기 위해 지속적으로 소재·부품·장비를 독자적으로 설계할 수 있는 기술을 확보해 왔다”며 “글로벌 시장에서 우리 혁신기술의 우수성을 인정받고 국가 제조업 경쟁력 향상에 기여할 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

▲ 이엠엘이 생산한 IN718 분말과 외산 IN718 분말로 적층제조한 부품의 인장 테스트 비교결과. 이엠엘의 IN718 부품 연신율은 20.1%로 주·단조재와 유사할 정도로 높은 수준을 나타냈다.