금속 3D프린팅 부품 기공·갈라짐 줄이는 합금분말 개발

한국생산기술연구원이 개발한 3D프린팅 분말소재. 한국생산기술연구원 제공

금속 3D 프린팅으로 만들어진 부품의 결함을 줄이는 3D 프린팅 소재가 개발됐다. 가볍고 내구성이 높은 금속 부품을 정밀하게 만들 수 있는 금속 3D 프린팅은 자동차, 항공우주, 의료 업계에서 주로 쓰인다.   

한국생산기술연구원은 박형기 기능성소재부품그룹 수석연구원 연구팀이 3D 프린팅 소재로 쓰이는 차세대 티타늄(Ti) 합금분말을 제조하는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. 

금속 3D 프린팅 부품은 합금분말 소재를 적층하고 레이저로 녹이면서 성형하는 과정을 거쳐 만들어진다. 복잡한 형상의 부품도 바로 제조할 수 있어 시간과 비용을 단축할 수 있다.

문제는 합금분말이 급속하게 응고되거나 열이 빠져나가면서 부품 내부에 기공, 크랙 등이 발생한다는 점이다. 학계에선 주로 레이저 출력을 조절해 이같은 문제를 해결하는 방식을 연구 중이다. 

박형기 수석연구원 연구팀은 방식보다 소재에 집중했다. 나노 입자를 티타늄 분말 내부에 균일하게 분포하는 방식으로 복합소재를 만들었다. 열역학 기반 시뮬레이션을 통해 티타늄, 나노입자의 최적 조성과 비율을 선정했다. 그리고 나노 입자를 티타늄 분말 내부에 40~50나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1미터) 크기로 분포시켜 소재를 제조했다.

이 소재를 이용하면 소재가 응고할 때 분말 내부에 나노입자가 있기 때문에 입자 주변으로 분말이 응고되면서 크랙과 기공이 덜 발생한다. 

박형기 수석연구원은 "나노입자 일체형 티타늄 분말은 다양한 산업의 티타늄 부품에 적용 가능해 금속 3D프린팅 세계시장 선점도 가능하다”고 밝혔다. 해당 소재는 현재 해외 기업에서 항공용 부품 소재로 적합한지 알아보는 평가를 받고 있다. 

왼쪽부터 이번 연구를 이끈 임현태 연구원, 박형기 수석연구원. 한국생산기술연구원 제공

[이채린 기자 rini113@donga.com]