기존 대비 장비 구축비용 저렴하고, 사용 용접재료 사용으로 경제성 갖춰

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 개발하고, 이를 통해 3차원 공간에서 금속을 자유롭게 연속적으로 프린팅할 수 있는 금속 3D프린팅 펜 기술을 개발하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 금속 3D프린팅 펜 기술은 3차원 공간에서 용접토치가 움직이는 방향으로 금속을 자유롭게 연속적으로 적층제조할 수 있는 장점이 있다. 레이저를 사용하는 기존의 금속 3D프린팅과 비교해 장비 구축비용이 저렴하고, 상용 용접재료를 사용해 빠르게 적층제조할 수 있어, 경제성까지 갖췄다.

용접기법을 사용하는 금속 적층제조는 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.

2021년 기준, 국내외 3D프린터 시장 규모는 각각 821억 원과 21억 달러이며, 성장 규모는 연평균 10.5%와 20%에 달한다. 이번 연구성과는 금속 적층제조 분야에서 기술적 우위에 선점하고, 이를 활용해 고부가가치 기계와 부품을 제조함으로써 제조산업에 활력을 줄 것으로 기대된다.

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

본 연구성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 한국재료연구원 ‘다목적 초소형동력원용 다층금속 소재 자립화 기술 개발’과제로 수행됐다. 또한 연구 결과는 세계적인 학술지인 어드밴스트 사이언스(Advanced Science, IF=17.521)지 2월호에 표지논문으로 선정됐다. 현재 연구팀은 원전, 방산 분야의 고부가가치 기계·부품 적층제조를 위한 후속 연구도 계속해서 진행 중이다.