3D 프린팅 부품 결함 없앨 차세대 분말 소재 나왔다

생기원, 티타늄-나노 입자 일체형 분말 개발
자동차·항공우주·의료 분야 폭넓게 활용

박형기 한국생산기술연구원 수석연구원 연구팀이 개발한 나노 입자를 티타늄 분말에 일체화한 차세대 금속 3D 프린팅 분말 소재./한국생산기술연구원

국내 연구진이 금속 3차원(D) 프린팅 부품의 결함을 해결하는 차세대 분말 소재를 개발했다. 이 소재는 가벼우면서도 내구성이 강해 자동차와 항공우주, 의료 분야에서 널리 쓰일 것으로 기대된다.

박형기 한국생산기술연구원 수석연구원 연구팀은 나노 입자를 티타늄 분말에 균일하게 분포하는 방식으로 성능을 강화한 차세대 금속 3D 프린팅 분말 소재를 개발했다고 28일 밝혔다.

금속 3D 프린팅 부품은 합금 분말을 쌓고 레이저로 녹이면서 형태를 갖춰가는 과정을 거친다. 복잡한 모양의 부품도 바로 제조할 수 있어 시간과 비용을 단축할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 합금 분말이 응고되고 열이 빠져나가면서 부품에 균열이나 기공이 발생한다는 장점이 있다. 그동안 3D 프린팅 부품의 결함을 줄이기 위해 레이저 출력을 조절하는 방식이 주로 연구됐다.

연구팀은 레이저 출력을 조절하는 방식 대신 3D 프린팅에 최적화된 복합소재 분말을 개발했다. 이 복합소재는 금속분말에 ㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 크기의 세라믹 입자를 분산시켜 강도를 높였다. 3D 프린팅에 활용할 시 응고되는 과정에서 분포된 세라믹 입자 표면에 핵 생성이 활발해지고 미세조직이 형성되는 방식이다.

복합소재도 문제가 없었던 것은 아니다. 기존 3D 프린팅용 복합소재는 금속분말 표면에 나노 입자를 붙이는 방식으로 만들어 입자가 균일하게 퍼지지 않았다. 분말이 움직이는 과정에서도 나노 입자가 분리돼 재사용되기 어렵다는 단점도 있었다.

연구팀은 복합소재의 단점을 해결하기 위해 열역학 기반 시뮬레이션으로 티타늄과 나노 입자 조성 조건을 도출했다. 시뮬레이션을 거쳐 나노 입자를 니타늄 분말 내부에 일체화하는 ‘in-situ’ 제조공정을 설계했다. 연구팀은 이 공정을 이용해 40~50㎚ 수준의 나노 입자를 티타늄 분말 내부에 분포하는 제조기술을 개발했다. 새로 개발한 일체형 분말은 나노 입자가 균일하게 분포되고, 티타늄 분말에서 튕겨 나가지 않아 100% 다시 사용할 수 있다.

박형기 수석연구원은 “나노 입자 일체형 티타늄 분말을 사용하면 3D 프린팅 부품의 기계적 특성과 신뢰성이 모두 향상되기 때문에 3D 프린팅 기술의 핵심 소재로 활용될 것”이라며 “다양한 산업의 티타늄 부품에 적용할 수 있어 금속 3D 프린팅 시장 선점도 가능하다”고 말했다.

연구팀이 개발한 3D 프린팅 분말 소재는 현재 해외에서 항공용 부품 소재 적용을 위한 평가가 진행 중이다.

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