적층제조 금속분말, 다양화·지속가능기술 통해 시장 확대

◇연재순서

1)전시회 총괄평가

2)적층제조 장비

3)금속분말 적층제조 소재

4)폴리머 적층제조 소재

5)메디컬 적층제조 응용분야

6)미래모빌리티 적층제조 응용분야

7)탄소섬유 적층제조 응용분야

8)좌담회-청년이 적층제조 미래를 이야기하다

▲ 3D프린팅연구조합 참관단이 폼넥스트에서 GE additive社 소속 분말제조 기업인 AP&C의 부스를 방문했다.

폼넥스트(Formnext) 2022 전시회는 새로운 적층제조기술 뿐만 아니라, 소프트웨어, 소재, 장비, 후처리를 포함하는 전 범위 기술이 성숙되고 있고 지속가능한 제조기술로의 발전하는 모습을 보여주는 자리였다.

본 기고에서는 Formnext 2022 전시회 중 금속분말 소재분야에서 확인 할 수 있었던 관련 동향 및 최신 기술을 소개하고자 한다.

글로벌 대형 금속분말 제조사의 경우, 주로 분말베드용융(Powder Bed Fusion: PBF) 공정용 금속분말 생산에 역량을 좀 더 집중하는 모습이었다. 이는 기술 성숙도가 가장 높아 산업적 활용도가 큰 PBF용 금속분말 소재가 적층제조 소재시장을 꾸준히 주도할 것으로 전망되기 때문이다.

적층제조용 금속분말 소재 중 타이타늄 소재시장의 성장이 가장 주목되는데, Global Market Insight의 시장 전망을 보더라도 타이타늄 합금 분말 시장의 10년간 연평균 성장률(CAGR)은 29%로 금속소재 중 가장 독보적인 성장세를 보일 것으로 기대되고 있다.

타이타늄 소재는 비강도가 높을 뿐만 아니라, 생체 친화성 및 내식성이 우수한 특징이 있고, 합금화 및 열처리를 통해 미세조직을 제어하여 원하는 물성을 설계할 수 있는 등 장점이 많아 소량 맞춤형 부품 수요가 높은 의료 및 우주·항공 등 산업에서 핵심소재로 활용되고 있다.

플라즈마(Plasma)를 활용해 고청정 분말을 제조하는데 강점을 가지고 있는 AP&C社는 이미 산업 수요가 크게 늘고 있는 고품위 타이타늄 및 니켈 합금의 생산물량 증대에 집중하는 모습이었다. AP&C는 올해 GE additive社 전시를 통해 Alloy 247의 HPT 블레이드의 적층을 선보였고, 신제품으로 Nb 합금(90 % Nb-10 % Hf)을 소개함으로써 우주항공, 발전 등 산업에서의 고온소재 수요에 대응하고 있음을 확인할 수 있었다.

올리콘(Oerlikon)社는 PBF 뿐만 아니라 EBM(Electron Beam Melting), DED(Direct Energy Deposition) 공정용 금속분말을 다양하게 소개하였다. 일반적인 적층제조용 분말제품(스테인리스강 및 Tool steel, Ni합금, Co합금, Ti합금) 뿐만 아니라, 고강도 알루미늄(Al) 합금 및 고엔트로피 합금개발을 소개하였다.

고엔트로피 합금의 경우, 나노스케일의 듀플렉스 구조를 가지고 있어, 고강도와 고내식성을 필요로 하는 임펠러 데모 부품과 함께 소개하였다. Oerlikon은 꾸준히 신소재에 대한 적층 데모를 선보이고 있는데, 이는 Oerlikon이 적층제조용 분말 뿐만 아니라 항공우주, 에너지, 자동차 및 툴링 산업에 적층제조 솔루션을 공급하고 있어 다양한 하이테크 산업에 적층제조 적용을 확대하기 위한 전략으로 해석된다.

신소재의 경우, ultrasonic atomizer의 원천기술을 가지고있는 Amazemet社에서 적층제조용 분말 37종을 전시하였다. Amazemet은 용융된 액상의 금속이 초음파 진동판에서 비산되며 구형의 분말을 제조하는 분무 공정을 소개하였는데, 이 공정은 적층제조에 적합한 입도 분포 및 수율을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 위성 분말이 없고 표면이 깨끗한 구형 분말을 생산 할 수 있다. 이번 전시회에서는 신소재 분말의 고배율 전자현미경 사진을 함께 전시함으로써 적층제조 맞춤형 합금 생산에 탁월한 실력을 가지고 있음을 내세웠다.

항공우주·의료 등 산업 맞춤 신소재 출시, 적층제조 소재 신사업 인기↑

친환경·경제성 확보 재활용 분말 사업화, 韓 인프라·기술 활용 고민해야

▲ Amazemet에서 제조한 적층제조용 신소재 분말의 고배율 주사전자현미경 사진

이번 전시회에서는 소결 기반 분말야금업체의 바인더 제팅(Binder Jetting) 분말 소재 및 부품시장으로의 진출이 보다 선명해졌다. GKN additive社는 소결 금속부품 및 산업에서의 전문성을 바탕으로 적층제조용 분말 사업을 추진하고 있는데, Binder jetting용 금속분말 제조 뿐만아니라, HP社와의 긴밀한 협력을 통한 신소재 및 응용기술 개발, 프린팅 서비스 제공 등을 소개하며 Binder Jetting 전문성 및 사업 영역을 구체적으로 선보였다.

또한, 세계 최대 규모의 MIM(금속사출성형) 전문기업인 INDO-MIM도 Binder Jetting용 소재 및 부품 서비스를 적극 홍보하였다. 이와 같이 기존 소결 기반 분말야금용 분말 제조사들은 전통적인 기술력을 바탕으로 Binder Jetting 소재 및 부품시장으로 적극 진출하고 있다.

한편, 금속 분말을 직접적으로 제조하는 기업들 뿐만 아니라, 다양한 산업에서 연계된 전문성을 보유한 기업들이 적층제조분말 제조 분야로 사업 영역을 확장하고 있는 것도 주목할 만한 부분이었다.

예를 들어, 세계적인 산업가스 및 엔지니어링 전문기업 린데(Linde)의 자회사인 Praxair Surface Technologies는 VIM-GA 공법으로 금속 분말을 제작하여, 적층제조용 금속분말 공급업체로 자리 매김 중이다. ALTANA AG그룹소속의 ECKART社는 페인트 및 코팅 등 안료 생산사업에서 확장하여, EIGA(Electrode Induction melting Gas Atomization) 방식을 이용하여 생산한 금속분말로 적층제조 사업을 확장하는 등 전통적인 금속분말 기술력을 확보하고 있는 다양한 기업들의 진출이 눈에 띄었다.

▲ Eckart社에서 전시한 다양한 색상의 적층제조용 금속분말

제조업의 지속가능성을 확보하기 위해서 노력하고 있는 것은 금속분말 소재 분야도 예외는 아니다. 올해는 순환경제를 통한 지속가능성 추구를 위해 재활용 기술을 이용한 분말 제조 기술을 선보이는 업체가 여럿 등장하였다.

그 중에서도 금속 재생 분야의 전문성을 가지고 있는 6K社는 독자적인 마이크로웨이브 플라즈마 공정을 활용하여 스크랩으로부터 구형의 타이타늄 분말을 제조하는 재활용 분말을 소개하였다.

6K는 자체 기술을 활용하면 재활용을 통해 L(레이저)-PBF, DED, EBM, Binder Jetting공정에 적합한 분말을 100%에 가까운 높은 수율로 제조할 수 있다고 전했다. 6K사는 고품위 타이타늄 합금 뿐만 아니라 스테인리스강, Ni합금, CoCr, Mo, W, TiAl, 세라믹 등 다양한 소재에 대한 재활용 분말 제조 가능성을 확인시켜 주었다.

또한, Progresja社는 타이타늄 및 알루미늄합금 분말의 재활용 뿐만 아니라 적층제조 부품 및 시스템을 공급하는 등 적층제조 산업에서 지속가능성을 추구하기 위해는 금속분말 단계에서부터 고민을 시작해야 함을 시사했다.

올해 Formnext 2022 전시회에서는 △의료, 우주항공 등 실질적인 산업적 수요에 기인한 금속 소재의 확장 △적층제조용 금속 분말 생산 측면에서의 순환경제 실현을 통한 지속가능성 추구 등을 보여주는 자리였다.

마지막으로 뉴스페이스 시대를 맞아 국가 차원에서 우주항공 분야의 기술 개발을 주도하고 있는 현 시점에서 적층제조 기술이 실질적인 성과를 만들기 위해서는 적층제조 기술의 시작점이자 기초가 되는 금속분말 소재 분야에서도 국내 인프라와 기술 기반을 활용하기 위한 체계적이고 실질적인 방안을 고민해야 할 것이다.

▲ 3D프린팅연구조합 참관단이 캐나다의 금속분말 전문기업 TEKNA 社 부스를 방문했다.