적층제조용 알루미늄 합금, 경량화 바람 타고 수요 ↑

적층제조용 금속부품의 주요 소재는 과거 타이타늄, 스테인레스, 초내열합금을 시작으로 하여 많은 연구가 이루어졌으나 최근 경량금속의 대표주자로 알루미늄 합금이 주목을 받고 있다.

알루미늄 합금은 비중이 2.7로 타이타늄 합금 4.5보다 낮아 가벼우며 적층제조에 있어 기존 주조재에 비해 강도가 우수하다. 과거 5년전만 하더라도 연신율이 불과 3% 미만으로 충격에 약해 구조용 소재로는 적합지 않은 것으로 알려졌으나 최근 레이저의 성능개선, 적층 제조조건 규명 등으로 기계적 특성의 향상이 이루어지고 있다. 이로 인해 최근 자동차 부품, 스포츠 레저 분야, 우주항공용 부품 등에 적용사례가 늘면서 분말수요도 증가하고 있다.

■ 강도 및 연신율 높고 저렴한 분말 개발 활발

현재 적층제조에 사용되는 합금의 대부분은 Al-Si-Mg 합금계로서 대표적인 것으로 AlSi10Mg와 AlSi7Mg(AlF357)이 있다. 적층제조 초기에는 AlSi12 합금이 많이 사용되었으나 연신율이 부족하여 최근에는 거의 사용하지 않는다. 실리콘이 첨가되면 용탕의 유동성이 증대하여 금속분말제조 시 유리하며 강도향상 효과가 크나 연신율은 저하된다.

<표1>은 적층제조에 사용되는 알루미늄 합금의 기계적 성질에 대해 장비 제조사에서 제공한 것이다. AlSi10Mg의 경우 as-built 상태에서는 제조사간 차이가 있지만 항복강도는 190-310MPa의 넓은 범위를 나타내고 연신율은 5.0~10.5%를 나타내고 있다. 이 합금도 적층과정 중 급랭에 의한 내부 응력을 제거 해소하기 위해 열처리를 실시하면 항복강도는 낮아지고 연신율은 향상되는 효과가 있다. 제조사에서 밝힌 강도는 대부분 기계가공 후 인장시험한 최적의 공정조건과 분말상태임을 고려한다면 실제 연구자들이 공개하는 강도보다는 우수한 특성을 보여주고 있다. 연구자들의 논문에서 밝히는 이 합금의 항복강도는 230MPa 내외, 연신율은 6% 정도로 알려져 있다. 따라서 알루미늄 합금 강도 및 연신율을 향상시키기 위한 합금개발이 진행되고 있다. 최근에는 실리콘 첨가량을 더욱 낮춘 AlSi7Mg 합금 분말도 제조되어 항복강도와 연신율이 우수한 고인성 합금이 사용되고 있다. 이 합금을 열처리하면 항복강도는 330MPa 이상으로 적층 이방성이 해소되고 연신율도 11% 이상 확보가 된다. 필자가 소속된 연구조합에서도 AlSi10 합금에 결정립 미세화 원소와 Si 화합물의 형상을 제어(modification)하는 원소를 복합 첨가하여 기존 AlSi10Mg 합금에 대비하여 항복강도와 연신율을 10% 향상시킨 분말을 개발한 바 있다.

최근에는 고강도 고인성 합금을 이용하여 우주항공분야에 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며 대표적인 합금으로는 Airbus의 자회사인 APWorks에서 개발한 Scalmalloy 합금이 대표적이다. 이 합금은 원래 압출용으로 개발된 것으로 고가의 스칸듐(Scandium)이 첨가되는 합금이다. 합금계는 기본적으로 Al-Mg-Sc이지만 구체적인 조성은 공개하고 있지 않으나 Mg이 7% 미만, Sc가 2% 미만, Zr 및 Mn이 1% 미만 첨가되는 것으로 알려져 있다. 이 합금의 기계적 성질은 분말제조사인 Heraeus에서 밝히는 바로는 항복강도가 470MPa, 연신율은 10%로 기존 AlSi10Mg 합금에 대비해서 우수한 기계적 특성을 나타내고 있다. 또한 열팽창계수도 낮아 온도변화에도 소재의 치수변화도 작다. 그러나 스칸듐 원소는 Kg당 최소 500만원 이상으로 우주항공분야와 모터스포츠를 제외하고는 일반 구조용 소재로 사용하기에는 가격적으로 한계가 있다. 따라서 3D프린팅연구조합에서는 Al-Mg 합금을 기본으로 하여 스칸듐 대체원소를 이용하여 저렴한 분말가격의 고강도 합금개발을 연구하고 있다.

또한 Aeromet사에서는 Al-Cu합금에 Ti, B, Ag 등을 첨가한 A20X 합금을 개발한 바 있다. 이 합금도 강도, 열전도도, 내열성, 피로특성 등이 우수하여 우주항공분야에 응용하기 위해 장비제조사인 Renishaw와 협력하고 있다.

■ 적층제조용 알루미늄, 車 양산부품 활용 주목

적층제조용 알루미늄 합금의 응용분야는 자동차, 우주항공분야, 스포츠 레저 분야를 들 수 있다. 이 분야의 수요가 증대하는 것은 소재의 경량성과 적층제조의 특징인 디자인의 자유도가 높아 컴팩트한 부품에 적합하기 때문이다.

자동차의 경우 이미 단종부품이나 프로토 타입의 소량생산에서 벗어나 대량생산을 준비하고 있다. BMW사의 테일게이트의 힌지부품, 2인승 스포츠카 제작사인 Divergent Technologies에서는 현가장치 및 새시부품을 생산하고 있다. 아울러 전기자동차의 배터리 냉각을 위해 bed와 냉각 쿨러 등도 개발이 이미 완료 되어 있다. 현대기아자동차에서도 대형 장비를 도입하여 알루미늄 부품 개발에 많은 투자를 진행 중이다.

우주항공분야는 위성 안테나, 브라켓류, 열교환기, 드론 프레임 등에 활용하고 있다. 향후 도심 이동 수단인 UAM(Urban Air Mobility)에서도 기타 경량소재와 함께 폭넓은 응용이 기대된다. 그 외 스포츠 레저용 부품도 기존 타이타늄에서 기계적 특성만 보완이 된다면 자전거 프레임, 장애인 이동수단 등에서도 그 활용도가 증대될 것으로 기대된다.

■ 국산화 위한 정책지원 및 협력체계 구축 필요

국내에서 알루미늄 분말의 경우 원소재인 잉곳 가격의 20-30배인 Kg 당 8~12만원으로 매우 고가이다. 이러한 분말의 가격이 고가인 이유는 관련산업의 확산이 더디고 회수율이 낮기 때문이다. 국내의 여러 정부출연연과 기업에서 공정연구와 함께 신합금 개발과 회수율 향상에 많은 노력을 기울이고 있다. 국내의 일부 업체에서 알루미늄 합금 분말을 생산하고 있지만 기존의 알루미늄 합금으로는 치열한 경쟁에서 이길 수 없다. 따라서 국내 구형화 금속분말 제조를 위한 장비의 투자비용의 정부지원과 장비 국산화 연구개발이 필요하고 합금개발을 위한 고투자 위험성을 상쇄할 수 있는 국가출연연구소 및 대학과의 협력 지원을 할 수 있는 정책적인 프로그램의 마련이 절실하다. 또한 국내시장을 넘어 해외 주요 금속 적층제조장비 기업과의 협력체계 구축도 요구된다.

▲ <표1>제조사에서 공개하는 주요 상용 알루미늄 합금의 인장특성

▲ 드론 주요 프레임에 사용된 알루미늄 부품(대건테크)

▲ 알루미늄은 열전도율이 우수하여 열교환기에 널리 사용된다.(3D시스템즈)