▲ 생기원에서 개발한 3D프린팅용 티타늄 분말소재

국내 연구진이 나노 물질을 티타늄(Ti) 내에 균일 분포한 합금분말 제조기술을 개발해 금속 3D프린팅으로 제작된 부품의 결함을 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)은 생기원 강원기술실용화본부 기능성소재부품그룹 박형기 수석연구원 연구팀이 나노 입자를 티타늄 분말 내에 균일하게 분포하는 방식으로 소재 성능을 강화한‘차세대 금속 3D 프린팅 분말소재’ 기술 기반을 확보했다고 지난 29일 밝혔다.

티타늄 합금분말을 사용한 3D프린팅 부품은 정밀한 설계 제어가 가능하고, 가벼우면서도 내구성이 강해 자동차, 항공우주, 의료용 임플란트 등 금속 3D프린팅 부품 소재의 52%를 차지하고 있다.   

그러나 합금분말이 급속하게 응고되거나 열이 빠져나가면서 부품 내부에 기공, 크랙 등이 발생하는 단점이 있어 레이저 출력을 조절해 변수를 제어하는 방식으로 결함을 줄이는 연구가 진행돼 왔다.     

이에 박형기 수석연구원 연구팀은 레이저로 변수를 제어하는 연구방식에서 나아가 3D프린팅에 최적화된 차세대 복합소재 분말을 개발하는 전략으로 이전까지의 연구 방향을 바꿨다.  

복합소재는 금속분말에 나노미터 크기의 미세한 세라믹 물질을 분산시켜 강도를 높인 소재로, 3D프린팅에 적용하면 응고되는 과정에서 분산된 나노입자 표면에 핵 생성이 활발해지면서 견고한 미세조직이 형성된다.

그런데 기존의 3D프린팅용 복합소재 분말은 금속분말 표면에 나노입자를 접착시키는 방식으로 만들기 때문에 입자가 균일하게 분포되지 않고, 분말 유동 과정 중 나노입자가 분리돼 재사용이 어려운 단점이 있었다. 

연구팀은 이러한 한계를 3D프린팅 공정에 최적화된 소재 개발로 극복하고자 열역학 기반 시뮬레이션을 통해 티타늄과 나노입자 조성을 선정했다. 이를 바탕으로 티타늄-나노입자의 최적 조성과 비율을 선정하고, 나노 입자를 티타늄 분말 내부에 ‘in-situ’(동시에)로 일체화하는 제조공정을 설계했다. 

연구팀은 in-situ 기법을 활용해 40~50 나노미터 크기의 나노입자를 티타늄 분말 내부에 균일하게 분포시켜 3D프린팅에서의 결함을 줄였다. 또한 제조 과정에서 나노입자가 튕겨져 나가지 않아 별도 처리 과정 없이도 100% 재사용 가능하다.  

개발된 기술은 현재 해외기업에서 항공용 부품 소재 적용을 위한 평가를 진행 중이다.      

박형기 수석연구원은 “나노입자 일체형 티타늄 분말을 사용하면 3D프린팅 부품의 기계적 특성과 신뢰성이 모두 향상되기 때문에 향후 3D프린팅 기술의 핵심 소재로 활용될 것”이라며 “다양한 산업의 티타늄 부품에 적용 가능해 금속 3D프린팅 세계시장 선점도 가능하다”고 밝혔다.