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  • 기사등록 2022-01-06 15:44:21
  • 수정 2022-01-06 16:45:48
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우리나라 3D프린팅 전문가 단체인 3D프린팅연구조합은 국내 산학연 관계자 29명과 함께 지난 11월15일부터 5일간 일정으로 독일 프랑크푸르트 메쎄에서 열린 세계 최대 적층제조(3D프린팅) 전문 전시회인 ‘폼넥스트(FORMNEXT) 2021’를 참관하고 현지 업체인 ‘ZOZ GmbH’ 방문과 ‘한·독 기술세미나’를 진행했다.
지난해 코로나 팬데믹의 영향으로 2년만에 폼넥스트를 방문한 관계자들은 적층제조 부품 양산에 필요한 소재·자동화 기술 발전 및 우주항공·자동차·반도체·배터리 등 어플리케이션 확대를 눈으로 직접 보고 산업용 부품을 적층제조로 양산하는 시대로 빠르게 진입하고 있다고 입을 모았다.
이처럼 세계 선진기업들이 적층제조 양산시대를 맞아 선제 투자와 기술개발에 박차를 가하고 있는 상황에서 우리나라도 제조업 고도화 및 신산업 창출을 위해 적층제조 산업에 보다 많은 관심과 투자가 요구되고 있다. 
이에 본지는 이번에 참관단을 구성한 3D프린팅연구조합과 산학연 전문가들의 연재기고를 통해 현장에서 보고 느낀 점을 바탕으로 적층제조시대의 기술 및 어플리케이션 발전 방향은 어디이고 우리가 어떻게 대응해야 할 것인지 생각해보는 자리를 마련했다.

금속 3D프린팅 소재시장, 장비보급·소재 다양화 ‘성장일로’


◇연재순서

1)전시회 총괄평가
2)금속 적층제조 장비
3)플라스틱 적층제조 장비
4)바이오메디컬 적층제조 기술
5)우주항공분야 적층제조 기술
6)금속분말 제조 및 응용분야
7)플라스틱 소재와 응용분야
8)좌담회-적층제조기술의 미래 발전 방향




폼넥스트(Formnext)는 세계 최대 규모의 적층제조 전시회로 비록 COVID-19로 인해 2019년도 대비하여 전시규모가 축소되었다고는 하나 다양한 적층제조분야의 기술 및 산업동향을 확인할 수 있었다. 본 기고문에서는 이번 전시회에 출품된 주요 금속분말 제조와 응용 사례에 대해 소개하고자 한다.

금속 3D프린터의 경우 국내에서는 적층제조 시장이 초기단계이고 규모가 작아 전 공정을 놓고 볼 때 적합한 장비를 찾기가 어려운 상황이라 선진 시장에 대한 부러움이 크다. 국내 적층 제조 시장이 더 활발해져 관련 장비 수요가 커져야 국내 장비 제조기업들도 관심을 가지고 개발에 동참할 것으로 예상된다.


주요 적층제조 금속 소재는 금속분말, Wire, Pellet 등 다양한 원재료를 사용하는 형태로 개발 및 발전되어가고 있으나, 대표적인 금속 3D프린터인 PBF(Powder Bed Fusion), DED(Directed Energy Deposition)와 대량생산을 목적으로 하는 Binder Jet은 모두 금속분말을 사용하고 있다. 이러한 적층장비가 보급화 되면서 금속분말 시장 역시 매년 성장하고 있는데 금속분말 소재 종류도 다양해지고 적용분야가 점차 넓어지고 있어 향후 금속 소재 시장도 더 커질 것으로 예상된다.


▲ 글로벌 적층제조 소재시장의 변화(출처:Wohlers Report 2018·2019·2020·2021, 3D프린팅연구조합 재편집)


금속분말 제조방법으로는 여러 방식이 있으나 적층제조용 금속분말은 주로 가스 아토마이저(Gas Atomizer) 장비로 제조하고 있으며 사용되는 가스는 아르곤 또는 질소 등 소재와 반응하지 않는 불활성 가스를 사용한다. Atomizer 장비는 소재 용융방식에 따라 VIGA(Vacuum Induction-meting Gas Atomization), EIGA(Electrode Induction-melting Gas Atomization)및 Plasma Atomization 등이 있다.


VIGA는 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 원재료를 유도 장치로 녹인 후 분무 노즐을 통해 고압의 불활성 가스로 분무하여 제조하는 방식이며, EIGA의 경우 원료 봉재의 끝단부위만을 유도 용융하며 이후로는 VIGA와 같은 방법으로 제조된다.


Plasma Atomization은 EIGA와 유사하나 원재료 Wire를 Plasma 토치로 용융시켜 분말을 제조한다. EIGA나 Plasma Atomization은 용탕과 도가니의 반응이 없어 순도를 높일 수 있는 장점이 있어 타이타늄, 지르코늄, 탄탈륨 등 반응성이 높은 소재에 유리하나, 원료를 봉재 혹은 Wire 형태로 투입하여야 하기 때문에 금속 화학 조성에 대한 자유도는 떨어지는 단점이 있다.


이번 전시회에 참여한 대형 Atomizer 제조사는 독일의 ALD Vacuum Technologies과 SMS group이 있다. ALD Vacuum Technologies는 Batch size 5~2,000kg급 VIGA 및 5~100kg급 EIGA 장비를 제조하고 있다. 특히 눈여겨볼 것은 용융부 모듈 변경만으로 VIGA와 EIGA방식을 모두 사용할 수 있는 장비를 개발 완료했다고 소개한 점이다. 이는 한 장비에서 두 가지 방식의 장점을 모두 사용할 수 있기 때문에 다양한 분말 제조가 가능하다는 장점이 있다.


독일의 BluePower Casting Systems은 주조 장비 및 분말 관련 장비 제조사로 소형 Atomizer도 같이 소개하였다. 이 소형 Atomizer 장비는 작은 면적을 차지하며 청소가 용이하고 분사 노즐형태 및 노즐 크기 변경이 쉬워 연구개발이나 다양한 소재를 생산하는 기업에 적합하다.



▲ 초음파 아토마이저(BluePower Casting Systems/AMAZEMET)


대형·하이브리드·다품종 소재 생산 아토마이저 장비 출시 주목
구리·니켈·알미늄 등 상용화 활발, 산학연관 협력체계 구축 필요


초음파 Atomizer 제조사들인 폴란드의 3D LAB, AMAZEMET과 독일의 BluePower Casting Systems도 참가하여 눈길을 끌었다. 초음파 Atomizer는 원소재를 용융 후 가스 분무를 하지 않고 용탕을 초음파 판에 떨어뜨려 분말을 제조하는 방식이다. 소개된 장비들은 냉장고 정도의 크기로 장비로 많은 양이 필요 없는 귀금속 분말 제조, 신합금 연구개발 등 다품종 분말 제조에 적합할 것으로 보인다. 고가의 분말이 사용되는 적층제조시 발생하는 서포트와 적층에 실패한 제품을 다시 용융 후 분말화하여 재활용하는데 유용할 것으로 보인다.

Atomization 후 금속 분말 입도는 대략 3~150㎛으로 적층제조용 장비 종류에 따라 분말 크기별 분급은 필수적이다. 15㎛이하인 미분은 시빙(sieving)으로 분급하기에는 어려움이 있어 기류식 분급기를 사용하게 된다. 기존 기류식 분급기는 크기가 커 협소한 공간에는 설치가 불가능하며 금속 분말 변경 시 청소가 매우 어렵다.


독일의 BluePower Casting Systems에서는 이러한 문제점을 인지하고 소형 기류식 분급기도 소개했다. 기존의 기류식분급기크기 대비 매우 작음에도 불구하고 철강소재 기준으로 시간당 50kg 정도 처리가 가능하다고 하니 분말 변경 시에도 쉽고 빠르게 청소가 가능하다고 한다.


현재 항공, 발전, 의료 등을 중심으로 금속 적층제조 부품 상용화가 이루어지면서 전시회 참가한 금속분말 제조사들은 가공 난이도가 높은 타이타늄 합금, 초내열 니켈 합금분말을 생산하는 AP&C, Carpenter, 테크나(TEKNA) 등이 주를 이루고 있었다. 그런데 적층 장비의 레이저 성능 향상, 파장대를 낮춘 그린 레이저 도입 및 적층 공정 조건 확립 등이 이루어지면서 알루미늄 합금 및 구리 분말 관련 전시도 늘어났다. 또한 새롭게 타이타늄 비정질 합금, 고엔트로피 합금 등도 소개되어 다양한 소재의 활용이 가능함을 보여주었다.



▲ 알루미늄 합금을 적용한 인공위성의 Electrical Thruster Mechanism(ETHM (3D시스템즈)


적층제조용 알루미늄의 경우 얼마전만 해도 알루미늄의 레이저 반사율 및 고상화 과정 중 생기는 내부 결함 등으로 주조재에 비해 기계적 물성이 떨어져 구조용으로도 부적합하다고 알려져 있었다.

그러나 레이저 성능 개선, 적층 공정 조건 확립과 합급 조성 변경 등으로 기계적 물성이 향상되었다. 현재 적층제조에 사용되는 합금의 대부분은 AlSi10Mg, AlSi7Mg과 같은 Al-Si-Mg 합금계이나 독일의 Fehrmann alloys에서는 연성을 향상시킨 AlMgty(Al-Mg-Ti계 합금)도 새롭게 소개하였으며 Al-Mg과 Al-Si합금에 첨가 원소를 스칸듐을 미량 첨가한 사례들을 확인할 수 있었다.


▲ AlSi10Mg 합금으로 제조한 초박형 위성 안테나(Trumpf)


이와 더불어 2xxx, 6xxx, 7xxx계 알루미늄 가공용 합금으로 제조된 부품도 전시되어 향후 다양한 분야에 알루미늄 적층 부품을 적용한 사례가 늘어날 것으로 예상된다. 국내에서도 관련 연구들이 진행되고 있어 향후 국산 알루미늄 합금으로 제작된 부품이 소개될 날을 기대해본다.


구리의 경우 익히 알고 있듯이 전기전도도와 열전도율이 높아 전기접점부품, 유도코일, 연소 챔버 및 열교환기 등에 널리 사용되고 있으나 그 동안 적층제조 적용 사례가 드물었다. 구리의 경우 적외선 파장대의 IR레이저를 사용할 경우 에너지 흡수율이 낮아 분말 용융이 되지 않았다.


이에 기존 IR레이저보다 더 짧은 파장대를 가진 그린 레이저를 사용 방법, 전기전도도를 크게 떨어뜨리지 않고 극미량의 첨가 원소를 합금화 혹은 분말 표면 코팅하는 방법이 사용됐고 합금의 경우 전기전도도가 약간 떨어지더라도 CuNi2SiCr, CuSn10와 같이 합금화를 시키는 방법들이 연구되면서 적층제조가 가능하게 되었다.

이번 전시회에서 순수구리 및 구리합금으로 적층한 고주파코일, 전기모터용 헤어핀, 연소챔버 등이 여러 부스에서 목격됨에 따라 구리 관련 적층제조 부품 응용 사례가 빠르게 늘 것으로 기대된다.


▲ 순수 구리로 적층한 전기자동차 부품(Fraunhofer/Trumpf)


이번 전시회에 참가한 적층제조용 금속 분말 중소 제조사는 COVID-19 여파로 지난 2019년 전시회 대비 눈에 띄게 줄었다. 하지만 다양한 금속소재가 소개되었고 더불어 활용분야가 확장되고 있음을 느낄 수 있었다.


국내 여러 정부출연연구소와 기업들에서 연구개발을 하고 있지만 앞서 언급한 봐와 같이 국내 적층제조 분야는 아직까지는 시장이 크지 않고 국내 적층제조용 금속 분말 제조사는 해외 선진 제조사에 비해 인지도 및 시장진입 진입이 늦어 판로 개척에 어려움이 있다. 이로인해 소량 생산에 따른 원료비와 공정비 증가, 좁은 분말 요구 입도에 따른 낮은 수율 등으로 선진 제조사 대비 가격경쟁력 또한 떨어져 적층제조에 적합한 합금 개발이나 새로운 분야를 개척하지 않는 이상 기존 적층용 금속 분말 소재로는 어려움이 클 것으로 판단된다.


그러나 대부분의 제조사는 중소·중견 기업이기에 독자적으로 연구개발을 수행하기에는 어려운 것이 현실이다. 지금도 진행되고 있지만 정부의 지속적이고 체계적인 지원, 정부출연연구소 및 대학의 협력 지원 강화와 적층제조 부품을 적용할 수 있는 국내 부품 수요기업과의 협력체계를 갖추어 사업화가 시작된다면 우리나라 적층제조 분야의 미래는 밝을 것으로 생각된다.

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