용융형 금속적층공정 적용 확대 및 소결형 공정 부각 주목

◇연재순서

1)전시회 총괄평가

2)금속 적층제조 장비 동향

3)금속 적층제조 소재와 시장 동향

4)폴리머 적층제조 소재와 장비 동향

5)우주항공용 적층제조 응용사례와 전망

6)좌담회-적층제조의 미래, 청년이 이끈다

▲ 이언식 포스텍 교수

지난 수십 년 동안 금속 적층제조(Metal Additive Manufacturing:MAM) 기술은 다양한 공정과 해당 공정변수 제어를 통해서 적층된 금속 부품의 특성을 획기적으로 향상시키는 기술적 진보가 뚜렷했다.

금속 적층제조 공정은 크게 용융형 금속 적층 공정과 소결형 금속 적층 공정으로 나눌 수 있다. 용용형 금속 적층 공정은 현재 상업화가 광범위하게 진행됐는데 대표적인 공정기술로는 PBF(Powder Bed Fusion) 공정과 DED(Directed Energy Deposition) 공정이 있다.

반면, 소결형 금속적층공정은 현재 상업화 초기 단계에 있으며, 대표적인 공정으로는 BJ (Binder Jetting) 공정과 ME(Material Extrusion) 공정 기술이 있다.

현재 시장 규모로 볼 때 PBF 공정 기술이 69%로 압도적으로 대세를 이루고 있으며, DED 공정기술이 28%를, BJ 공정기술이 3%를 차지하며, ME 공정기술은 아주 미미한 수준에 있다. 아래에서 각 공정기술의 간략한 특징과 이에 사용되고 있는 금속소재에 대해서 살펴보도록 하자.

■PBF 공정용 금속소재

PBF 공정 기술은 고출력 레이저 혹은 고에너지 전자빔을 활용하여 금속 분말의 개별 층을 녹이고 응고시키는 방식이다. CAD 설계에 따라 분말이 선택적으로 녹고 응고되어 형상화되며 플랫폼에 금속분말 원료가 전달되어 코팅되는 과정이 포함된다.

PBF 공정은 상대적으로 높은 정밀도로 완전 밀도의 부품을 생산하는 것으로 알려져 있지만, 제조 공정이 상대적으로 비싸기 때문에 항공우주 산업과 같은 고부가가치 부품의 제조에 사용하여 비용 절감을 가져올 수 있는 산업에만 적용 가능하다.

철강으로서 316L스테인리스강은 뛰어난 내식성, 생체 적합성 및 연성을 갖추고 있어 가장 널리 사용되는 산업용 합금 중 하나다. 이는 생의학, 항공우주, 국방, 석유 및 가스, 석유화학 등과 같은 다양한 산업 분야에 적용하기에 적합한 후보이다. 한편, 17-4 PH 스테인리스강으로 석출경화형 합금으로, 우수한 적층성과 다양한 적용 범위, 높은 강도와 내부식성의 장점으로 인해 널리 사용되고 있다.

또한, 마르에이징강은 높은 중량 대비 강도 비율과 적절한 인성으로 인해 랜딩 기어 부품부터 항공기 부속품까지 다양한 항공우주, 자동차 및 방위 산업 분야에 많이 사용되고 있다. M300 마르에이징강은 20% 수준의 니켈(Ni) 성분을 함유하고 있으며, 열처리 후 M300 마르에이징강 부품의 인장 강도는 2200MPa를 초과할 만큼 강도가 높은 소재이다.

▲ (a) 다이 캐스팅 인서트 / M300 마르에이징강, (b) spinal implant/ Ti6Al4V (사진:3D프린팅연구조합)

그러나 PBF 공정에 탄소를 함유한 공구강 등의 적층제조는 매우 어려운 실정이다. 일반적으로 PBF 공정을 적용할 때 탄소함량이 0.03wt% 이내인 철강이 선호되고 있으며 이보다 탄소 함량이 높게 되면 부품의 열 구배 제어를 확실하게 하여야 한다.

냉간 공구강 및 고속도 공구강 등은 탄소 함량이 0.8wt% 이상 수준으로 PBF 공정으로 적층 제조 시 부품이 대부분 열응력에 의해서 균열이 발생하기 때문에 PBF 공정으로 적용하기 어렵다. 이러한 중탄소 및 고탄소계 철강 소재는 아래에서 소개할 소결을 실시하는 BJ 혹은 ME 공정을 활용하는 것이 적합하다.

IN718 등의 니켈 기반 초합금은 가스 터빈 엔진용 고압 터빈의 디스크 및 블레이드 제조에 필요한 핵심 소재이다. 또한 밸브, 터보 기계, 인젝터, 점화기 및 매니폴드와 같은 많은 고온 응용 분야에도 사용된다. 극도로 높은 온도, 고압 및 부식성 환경에서 발현되는 니켈기반 초내열 합금의 뛰어난 기계적 특성은 현대 항공기 엔진의 효율성을 크게 향상시킨다.

현재 첨단 항공기 엔진 무게의 50% 이상이 니켈 기반 초합금으로 구성되어 있다. 철 기반 초합금은 수소 환경 취성을 완화하기 위해 로켓 엔진과 같은 고압 수소 응용 분야에 일반적으로 사용되기도 한다.

▲ (a) 로켓 노즐 챔버 / IN718, (b) Ramjet / IN718, (c) 구리 연소 챔버 / Copper GRCop-42 (사진:3D프린팅연구조합)

Ti6Al4V 등의 타이타늄(티타늄) 합금은 높은 비강도, 우수한 내식성 및 고온 안정성으로 인해 항공우주 응용 분야에서 많은 관심을 받아왔다. 타이타늄 합금은 또한 현대 항공기에 광범위하게 사용되는 고분자 매트릭스 탄소섬유복합재(PMC)와 전기화학적으로 호환되는 장점이 있다.

티타늄 합금은 고온 안정성과 특정 강도로 인해 항공기에서 상당한 용도로 사용되고 있다. 특히, 로켓 추진제 탱크에서 일반적으로 발견되는 극저온 응용 분야에 있어 티타늄 합금은 저온에서 연성에서 취성으로의 전이를 나타내지 않기 때문에 강력한 적용 소재이다.

구리 합금은 액체 로켓 엔진의 연소실과 같은 열 교환기에 일반적으로 사용된다. 이러한 높은 열 유속 환경에서는 고압 추진제 또는 산화제로 추력 챔버의 벽을 적절하게 냉각하기 위해 고강도 및 고전도 합금이 필요하다.

PBF 공정 항공우주 등 고부가 부품 상용화 확대, 니켈·티타늄 합금 사용

대량 양산 가능 BJ 공정 시장 확대 기대, 장비·소재·공정 개발 필요

■DED 공정용 금속소재

DED 공정은 공급원료로 와이어 또는 분말을 사용할 수 있으며, 이러한 원료를 용융 풀로 완전히 녹일 수 있는 열원으로는 일반적으로 플라즈마 레이저, 전자 빔, 전기 아크, 레이저 빔 등 4가지 열 에너지원이 사용된다.

금속 부품은 일반적으로 빌드 플레이트의 밀봉된 빌드 챔버 내부에서 생성되거나 수리된다. 공급원료는 동축 노즐을 통해 금속 부품을 향해 분말(50~200μm 범위의 구형 입자)을 불어넣거나 금속 와이어(1~3mm 범위)를 밀어 넣어 에너지 열원 쪽을 향해 공급한다. 공급원료가 에너지 열원과 접촉 시 녹아 일반적으로 직경 0.25~1mm, 깊이 0.1~0.5mm의 용융 풀에 떨어지거나 분사되어 적층 형상을 만들게 된다.

DED 공정용 금속소재는 PBF 공정용 금속소재에 비교해서 탄소 함유량에 대한 허용치가 좀 더 유연하여 다양한 철강 소재를 적용할 수 있는 장점이 있다. 그 외 비철합금의 경우 DED 공정용 금속소재의 금속분말은 PBF 공정용 금속소재 보다 직경이 조금 클 뿐 거의 유사하다.

■BJ 공정용 금속소재

종이에 잉크를 인쇄하는 것처럼 BJ도 비슷한 작업을 수행하는데, 이 공정은 2차원으로 인쇄하는 대신 3차원을 활용하여 금속분말 입자가 액체 바인더를 통해 서로 접착될 때 3차원 부품을 생성한다.

처음에는 분말 호퍼에서 공급되는 미세한 금속분말 층이 리코터를 통해 빌드 플랫폼에 적층되며 일반적인 펼침 두께는 50~200μm 수준이다. 그런 다음, 잉크젯 프린트헤드를 통해 x 방향과 y 방향으로 이동하면서 액체 바인더의 액적이 기존 분말 위에 선택적으로 접착되고, 모세관 압력과 중력의 영향으로 바인더의 각 액적은 금속 분말 입자 사이의 공극에 침투하여 흘러 들어가서 3차원 형상을 유지하게 한다.

부품 형상을 완료한 후, 소결하여 적층제조 부품의 치밀도를 높이고 강도를 부여한다. 이를 위해서, 먼저 450℃ 수준의 온도에서 탈지 처리하여 바인더를 날려 보내고 1,100℃ 수준의 환원성 열처리로에서 소결처리를 완료한다. 이러한 소결처리 동안 내부 기공이 사라지게 되어 강도를 갖게 되나, 소결 수축이 일어나 형상의 변형이 발생하는 문제점이 있다.

현재 BJ 공정기술은 상업화 초기의 기술로서 대부분 탄소강의 적용하여 경제성 있게 대량 생산하는 것에 초점이 맞추어져 있다. 기존의 금속사출성형(MIM) 산업체가 BJ 프린터만 투자하면 바로 양산을 할 수 있는 기술적 유사성을 갖고 있어 향후 매우 기대되는 공정기술이다. BJ 공정기술이 대형 부품 제조 및 대량 생산의 기술적 목표를 달성한다면 금속적층제조 시장이 크게 확대될 것으로 예상된다.

마지막으로, 지난 11월에 폐막된 폼넥스트 2023 적층제조 전시회를 둘러본 후 용용형 금속적층공정 기술은 부품의 크기 및 정밀도 측면에서 완전한 상업화 단계에 이른 것을 느낄 수 있었다.

그러나 용용형 금속적층공정은 단가가 매우 높기 때문에 의료 혹은 우주항공 분야를 제외하면 일반 산업에 넓게 적용하기는 어려운 상황이다. 이번 전시회에는 다행스럽게도 일반 탄소강을 적용할 수 있고, 공정 단가가 비교적 저렴한 소결형 금속적층공정이 많이 부각되고 있었다. 조만간에 이러한 용용형 금속적층공정이 일반 산업의 양산 공정에 적용될 것으로 기대되고 있다.

현재 국내 금속적층공정 기술은 활발한 상업화에 이르지 못하고 있다. 발전 가능성이 높은 소결형 금속적층 공정에 대한 장비, 소재 및 공정 연구가 활발하게 진행되어 향후 적층제조 시장을 확대하고 및 국제적인 경쟁력을 확보할 수 있기를 고대해 본다.