KITECH 생산기술 전문지

금속 3D 프린팅 (또는 적층제조)은 금형 없이 복잡 형상 및 정밀 형상의 부품을 제조할 수 있다는 장점을 바탕으로 의료, 항공/우주, 국방, 개인용 스포츠, 고가 수송기기 등의 산업에서 ’22년 현재 상용화의 영역에 이미 진입해 있다. Powder Bed Fusion (PBF)와 Directed Energy Deposition(DED)가 현재 상용화된 3D 프린팅 공정이며, 일반적으로 구형의 금속분말을 사용한다. PBF 공정은 15~53㎛ 크기의 분말을 주로 사용하며, DED 공정은 45~125㎛ 크기의 분말을 사용한다. 두 기술의 우열이 있는 것은 아니나, PBF 공정이 더 정밀 형상의 부품을 제조하는데 유리하고, 분말의 단가가 더 고가에 형성이 되어 있다. 이에 우리나라 분말 제조 기업들의 경우 PBF 공정용 분말 수율을 더 높이는 방향의 기술개발을 주로 수행 중이다. 금속 PBF 공정은 원형의 플레이트 (Plate)가 수직 방향으로 수십 ㎛ 수준의 일정한 높이만큼 하강하며, 하강한 높이만큼 금속분말을 균일하게 채운 후 원하는 영역을 레이저 또는 전자빔(E-beam)으로 빠르게 녹여 부품을 제조하는 공정이다. 금속분말을 균일하게 채울 때 블레이드를 활용하여 수평으로 분말을 밀어서 원형 플레이트에 채우게 된다. 이 과정을 리코팅 (Recoating)이라고도 하며, 분말의 유동도가 매우 낮은 경우 블레이드 (Blade)의 이동이 원활하지 않고, 분말이 균일하게 도포되지 않으며 이는 PBF 공정을 활용한 부품의 건전성에도 영향을 주게 된다. 금속 3D 프린팅도 연구자들에게는 접근성이 높아져, 새로운 조성을 설계하고, 공정을 최적화 하는 등 많은 연구가 진행되고 있으나, 분말은 대부분 해외 수입에 의존하여 활용 중이다. 기존 분말야금 산업의 기술경쟁력이 있는 우리나라 역시 신산업인 3D 프린팅용 분말의 제조 기술을 확보 중이나, 몇 가지 걸림돌이 존재한다. 그중 하나는 PBF 공정에 적용하기 전, 금속분말의 리코팅 특성을 확인하기 위한 특성평가법이 부재하다는 점이며 [1], 종종 발생하는 더 큰 문제는 제조된 분말이 일반적인 PBF 공정에 적용할 수 없는 낮은 유동성을 지닌 경우이다 [2].본 기고문에서는 우리나라 제조 분말을 PBF 공정에 적용하기 위한 특성평가 지원 사례와, 낮은 유동성을 가진 분말의 유동 특성을 개선하여 일반적인 PBF 공정에 적용할 수 있는 분말의 표면처리법에 대해 다루도록 하겠다. 3D 프린팅은 뿌리산업의 신기술로, 소재의 국산화를 위한 고민과 기술개발은 뿌리산업의 전반적인 경쟁력 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 본 기고문의 주요 내용은 기존 문헌인 한국분말재료학회지 [1], Applied Suface Science 등을 기반으로 하고 있으며 [2], 기술의 파라미터 (Parameter) 등 정량정보와, 분말 특성평가법에 대한 더 상세한 정보는 해당 논문에 자세히 기재되어 있다.