기공·크랙 등 원천 차단…생기원, 차세대 금속 3D 프린팅 분말소재 개발

생기원이 개발힌 차세대 금속 3D프린팅 분말소재.

한국생산기술연구원(원장 이상목)이 금속 3D프린팅 부품 결함 문제를 해결할 수 있는 차세대 티타늄 합금분말 제조기술 개발에 성공했다.

박형기 기능성소재부품그룹 수석연구원팀이 나노 입자를 티타늄 분말 내 균일하게 분포시키는 방식으로 소재 성능을 강화한 '차세대 금속 3D 프린팅 분말소재' 기술 기반을 확보했다.

티타늄 합금분말을 사용한 3D프린팅 부품은 정밀한 설계 제어가 가능하고, 가벼우면서 내구성이 강하다. 자동차, 항공우주, 의료용 임플란트 등 금속 3D프린팅 부품 소재 52%를 차지한다.

금속 3D프린팅 부품은 합금분말을 적층하고 레이저로 녹이면서 성형해 만드는데, 형상이 복잡한 부품도 제작 시간과 비용을 단축할 수 있다.

다만 합금분말이 급속하게 응고되거나 열이 빠져나가면서 부품 내 기공, 크랙 등이 발생하는 단점이 있다. 레이저 출력을 조절해 결함을 줄이는 연구가 진행돼 왔다.

연구팀은 더 나아가 3D프린팅에 최적화된 복합소재 분말을 개발하는 전략을 택했다.

연구를 이끈 박형기 수석연구원(오른쪽)과 임현태 연구원.

복합소재는 금속분말에 나노미터 크기 세라믹 물질을 분산시켜 강도를 높인 소재다. 응고시 분산된 나노입자 표면에 핵 생성이 활발해지면서 미세조직이 견고해진다. 다만 기존 복합소재 분말은 나노 세라믹 물질 입자가 불균일 분포하고, 크게 움직이면 입자가 분리되기도 한다.

연구팀은 열역학 기반 시뮬레이션으로 티타늄과 나노입자 조성을 선정, 3D프린팅 공정에 최적화된 차세대 복합소재 분말을 구현했다. 40~50나노미터 입자를 티타늄 분말 내 분포시켜 일체화하는 제조공정을 설계했다.

이렇게 'in-situ(동시에, 한 번에)' 합금한 분말은 이전 방식과 비교해 나노입자가 균일 분포돼 3D프린팅시 결함을 줄일 수 있다. 제조 과정에서 나노입자가 튕겨져 나가지 않아 별도 처리 과정 없이도 100% 재사용 가능하다.

박형기 수석은 “나노입자 일체형 티타늄 분말을 사용하면 3D프린팅 부품 기계적 특성과 신뢰성이 모두 향상돼 향후 3D프린팅 기술 핵심 소재로 활용될 것”이라며 “다양한 산업의 티타늄 부품에 적용 가능해 금속 3D프린팅 세계시장 선점도 가능하다”고 밝혔다.

개발 성과는 현재 해외 기업 항공용 부품 소재 적용을 위한 평가를 진행 중이다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com