▲ 어드밴스트 사이언스(Advanced Science) 2월호 표지논문으로 선정된 금속 3D프린팅 펜 기술

국내 연구진이 상용 용접재료를 가지고 공간에 자유롭게 연속적으로 적층할 수 있는 금속 3D프린팅 펜 기술을 개발해 복잡한 구조물 제작 등에 활용이 기대된다.

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환) 접합기술연구실 송상우, 김찬규, 서강명 박사 연구팀이 창원대 기계공학부 조영태, 김석 교수 연구팀 및 한국기계연구원 부산기계기술연구센터 조대원 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 용접기법을 사용하는 금속 3D프린팅 과정에서 용융금속의 부피를 제어하는 원천기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

와이어 형태의 금속소재를 용접과 유사한 방식으로 적층하는 WAAM(와이어아크 적층제조)의 경우 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.

연구팀은 이번 기술 개발로 3차원 공간에서 용접토치가 움직이는 방향으로 금속을 자유롭게 연속적으로 적층제조할 수 있는 금속 3D프린팅 펜을 구현했다. 이는 기존 레이저 사용 장비 대비 구축 비용이 저렴하고, 상용 용접재료를 사용해 빠르게 적층제조할 수 있어, 경제성까지 갖췄다. 

연구팀은 이번 성과가 금속 적층제조 기술 우위 선점 효과와 함께 고부가가치 기계와 부품 제조를 통한 제조산업 활성화에 기여할 것으로 기대했다. 이를 확산하고자 원전, 방산 분야의 고부가가치 기계·부품 적층제조를 위한 후속 연구도 계속해서 진행 중이다.

연구책임자인 재료연 송상우 책임연구원은 “기존의 금속 적층제조 공정에서 불가능하다고 여겨졌던 연속 적층제조 공정에 3차원 자유 형상 적층제조까지 더했다”라며, “기존 금속 용접재료를 사용해 복잡한 구조를 손쉽게 제조할 수 있게 되어 제조산업의 새로운 패러다임을 제시한 것”이라고 말했다.

한편 연구 결과는 세계적인 학술지인 어드밴스트 사이언스(Advanced Science, IF=17.521)誌 2월호에 표지논문으로 선정됐다. 

▲ 금속 3D프린팅 펜 공정 개념도