Update2024.05.10 (금)
금속 3D프린터용 분말산업 ‘飛上’ 주목해야
한국분말야금학회의 2014년 춘추계 학술대회에는 400명에 육박하는 참석인원이 몰리는 등 학회가 활성화되고 있음을 온몸으로 느낄 수 있었다. 최근 3D프린터에 대한 열기가 다소 가라앉는 가운데서도 유독 이 학회의 열기가 높은 이유는 3D프린터 산업에 있어 소재시장이 장비시장보다 더 커질 것으로 예측되고 있기 때문이다.
분말야금이란 금속분말 등을 미세한 분말형태로 제조하거나 이를 소결(sintering)하여 부품을 제조하는 산업으로 주조나 단조에 비해서는 산업규모가 크지 않다. 그러나 향후 금속 3D프린터가 활성화되면 필수적으로 필요한 것이 구형화된 분말의 수요가 급증할 것이기에 산학연에서 큰 관심을 보이는 것은 당연한 일이다.
이에 본고에서는 금속 3D프린터와 관련된 장비의 원리, 금속 분말제조 공정, 적용사례 등을 살펴보고자 한다.
■메탈 3D프린터의 작동원리
3D프린터는 공식적인 용어가 아니며 절삭가공(Subtractive Machining)과 대조되는 적층제조(Additive Manufacturing)가 공식적인 ASTM 용어이다. 이 적층제조기술은 7가지로 분류하고 있으며 금속의 경우 PBF(Powder Bed Fusion)과 DED(Directed Energy Deposition)으로 금속 부품 제조가 가능하다.
PBF 방식은 <표1>에서 보듯이 분말공급 장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수십 ㎛의 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후 한층 한층씩 용융시켜 쌓아 올라가는 방식이다. 이 방식은 SLS(Selected Laser Sintering) 또는 SLM (Selected Laser Melting), LaserCursing, DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 등의 용어도 혼용하고 있으나 그 원리는 동일하다.
DED 방식은 보호가스 분위기에서 분말을 실시간으로 공급하여 고출력의 레이저를 사용해 공급 즉시 용융되어 적층해 나가는 방식이다. 전 세계 장비판매량은 비교적 정밀하고 형상자유도 구현에 유리한 PBF 방식이 월등히 많다.
■3D 프린터용 금속분말의 특징
3D프린터용 금속분말은 PBF 방식은 구형을 사용하며 <그림1>에 나타낸 바와 같이 가스 Atomisation 방식으로 제조한다. 이 방식은 용융 금속을 냉각된 영역에 가스 등으로 분사하여 순간적인 냉각으로 구형화된 분말을 제조하는 것이다.
제조회사마다 차이가 있지만 레이저를 사용하는 ConceptLaser 및 EOS의 경우 35-50㎛ 크기의 분말을, 전자빔을 사용하는 Arcam 사는 50-100㎛, MIM을 대체할 초소형부품제작용은 1-5㎛ 크기를 사용하는 것으로 알려져 있는데 분말의 입도가 대단히 좁은 것이 특징이다.
이 구상화분말을 제조하는 업체로는 Sandvik, Hoganas, TLS Technik 등이 있는데, 국내 분말제조업체에서도 많은 관심을 가지고 있다. 3D프린터에 적합한 분말기준은 입도분포, 유동도, 65% 이상의 tap density, 등방성을 가지는 미세구조, 낮은 산화물 등이 요구된다. 그러나 DED 방식은 kW급의 강한 레이저 소스를 사용하기 때문에 굳이 구형의 분말을 사용하지 않고 일반 불규칙적인 형상을 사용해도 무방하다.
금형·의료·車·우주항공 적용 확대…2023년 분말시장 40억불
소수 외국기업이 주도, 韓 기술개발 및 응용분야 개척 시급
■금형, 금속 3D프린터 최대 시장
3D프린터를 활용하면 금속분말 박스 내에서 국부적인 용융과 융착이라는 단순한 과정을 통해 부품을 만들 수 있다. 또한 스크랩 등의 재료손실도 없고 유사한 디자인이나 형상변경에 대한 설계변경이 자유롭다는 장점이 있다.
특히 기존 주조방법으로 제조가 불가능한 언더컷, 다중공 형태 제품의 생산이 가능하며, 두께도 0.3mm 이하로 제작 가능하여 정밀한 부품제조가 가능하고 Net-shape 성형이 가능하기 때문에 성형이후 기계가공 공정을 대폭 줄일 수 있다.
그러나 3D프린터에 사용할 수 있는 금속은 많지 않다. 그 이유는 분말제조기술이 난이도가 높고 각 합금마다 적층 조건이 다르기 때문이다. 현재 사용되는 금속은 순타이타늄 및 그 합금, 스테인레스 합금류, 알루미늄합금, Fe-Cr-Ni 강, 마르에이징강, Inconel 초내열합금, 귀금속 등에 제한적으로 사용되고 있다.
금속 프린팅 제품의 응용분야는 크게 금형, 치과 및 의료분야, 자동차, 우주항공, 전자기기 등으로 나눌 수 있다. 금형은 앞서 설명한 한바와 같이 사출성형용 금형의 냉각채널에 널리 활용되고 있으며 그 시장 규모도 제일 큰 것으로 알려져 있다. 기존 CNC에 의한 금형의 경우 냉각속도가 차이가 나지만 3D프린터에 의해 제조된 냉각몰드의 경우 복잡한 냉각채널도 구현이 가능하여 냉각속도가 일정하고 싸이클 타임도 줄일 수 있다. 사용되는 소재는 주로 공구강이 사용되고 있으나 마르에이징강 및 스테인레스 스틸도 사용된다.
두 번째 시장은 의료분야이다. 특히 개인 맞춤형으로 제작되기 때문에 기존 방식보다 신속하고 가격이 저렴한 장점이 있다. 활용되는 사례는 치과용 각종 크라운, 고관절용 비구컵 등 인공뼈, 두개골 손상 후 머리 임플란트, 각종 수술용 도구 등에도 많이 사용되고 있다. 주된 재료는 Co-Cr 합금 및 Ti 합금이 널리 사용되고 있으며 국내에도 확산되고 있어 향후 시장규모가 커질 것으로 보인다.
자동차분야는 양산용이라기 보다는 주로 프로토 타입용으로 많이 제작되며, 일부 모터스포츠용의 튜닝제품, 단종모델의 부품 제작에 활용된다. 최근 디젤 직분사 엔진용 연료분사장치를 개발하여 연료효율을 향상시켰다고 보고가 있어 직접 제조한 부품이 양산차에 적용될 수 있는 부품도 다수 있을 것으로 전망된다.
우주항공 분야는 Airbus, GE 등에서 활발하게 진행되고 있다. 터빈 브레이드, 연소기 부품, 각종 브라켓, 연료 노즐 등이 보고되고 있으며 주로 사용하는 소재는 Inconel 초내열합금 및 타이타늄 등이 주로 사용된다. 연료분사장치는 터빈 브레이드를 작동시키기 위한 연료공급을 담당하는 것으로 1300℃의 가혹한 조건에서 사용된다. 기존에는 일반적인 브레이징 및 용접 등 30여개의 공정을 거쳐 완성되는 부품인데 3D프린터로 제조하게 되면 공정이 대폭 축소되고 25%의 경량화 및 내구성이 4배 증가한다고 보고하고 있다.
물론 항공기 뿐만 아니라 각종 발전용 터빈, 자동차 디젤엔진 등에 시도하고 있다. 그 외 RFID 삽입을 위해 제작되는 금형, 귀금속을 활용한 각종 장신구 등에도 적용하고 있다.
■금속 3D프린팅 분말수요 2023년 9천톤
3D프린터 시장은 크게 장비, 소재, 프린팅한 제품, 교육 및 소프트웨어 등으로 크게 나눌 수 있다. <그림2>에 나타낸 바와 같이 2020년까지 각 분야에 대한 시장 전망을 보여주고 있으며 현재시장보다 3배 정도 성장할 것으로 예상하고 있다. 특히 장비보다는 소재시장이, 소재시장보다는 장비를 활용한 제품의 시장이 더 크다는 것을 알 수 있다. 즉 장비보다는 소재개발이나 이 소재를 활용한 제품이 더 큰 매력이 있다는 것을 의미한다.
2012년 전세계 금속 3D프린터는 총 190대가 판매되었으며 ConceptLaser, EOS, SLM 등 독일기업이 69%를 차지하고 있다. 비공식적인 소식이지만 최근 이들 독일 기업들은 매년 두배 이상의 판매실적을 올리고 있으며 따라서 금속분말의 시장도 확대되고 있는 것으로 파악되고 있다.
세계 3D 프린터용 금속분말 수요는 2023년 9,000톤에 달할 것으로 예상되며 시장규모는 약 40억달러로 보고 있다. 향후 경사기능재료나 MMC 등 복합소재에 대한 기술개발, 인쇄전자용 나노급 분말의 수요도 발생될 것으로 예상되는바 소재시장의 지속적인 확대가 예상된다.
국내외적으로 3D프린터로 플라스틱 부품을 제조하는 기술은 도입기를 지나 성숙기로 접어들고 있으나, 금속으로 제조하는 기술은 선진국에 대비하여 기술격차가 크게 뒤떨어지지 않는 도입 성장기이기 때문에 우리나라도 시장규모가 큰 금속분말소재 및 응용분야를 확장하는 것이 중요하다.
