생기원, 차세대 3D 프린팅 티타늄 분말소재 개발…부품 결함 해결

'in-situ'로 나노입자 제어하는 티타늄계 분말소재 원천기술 확보
일체형 분말소재 제조기술, 별도 처리과정 없이 100% 소재 재사용

[대전=뉴시스] 생기원 박형기 수석연구원(오른쪽)과 임현태 연구원이 개발한 3D프린팅 티타늄 분말소재를 들어보이고 있다.(사진=생기원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국생산기술연구원(이하 생기원)은 기능성소재부품그룹 박형기 수석연구원팀이 금속 3D프린팅 부품의 결함을 해결할 수 있는 차세대 티타늄(Ti) 합금분말 제조기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

티타늄 합금분말을 사용한 3D프린팅 부품은 정밀한 설계제어가 가능하고 가벼우면서 내구성이 강해 자동차, 항공우주, 의료용 임플란트 등 금속 3D프린팅 부품 소재에 많이 활용된다.

이번에 연구팀은 나노입자를 티타늄 분말 내에 균일하게 분포하는 방식으로 소재성능을 강화한 ‘차세대 금속 3D 프린팅 분말소재' 기술을 확보했다.

금속 3D프린팅 부품은 합금분말을 적층하고 레이저로 녹이면서 성형하는 과정을 거쳐 제작되며 복잡한 형상의 부품도 바로 제조 가능해 시간과 비용을 단축할 수 있다.

하지만 합금분말이 급속하게 응고되거나 열이 빠져나가면서 부품 내부에 기공, 크랙 등이 발생하는 단점이 있어 레이저 출력을 조절해 변수를 제어하는 방식으로 결함을 줄이는 연구가 진행돼 왔다.

생기원 연구팀은 열역학 기반 시뮬레이션을 통해 티타늄과 나노입자 조성을 통해 3D프린팅 공정에 최적화된 소재를 개발했다.

이를 위해로 티타늄-나노입자의 최적 조성과 비율을 선정하고 나노입자를 티타늄 분말 내부에 'in-situ'기법으로 일체화하는 제조공정을 설계했다.

연구팀 관계자는 "in-situ는 '동시에, 한 번에'의 뜻을 가진 실험기법으로 in-situ 기법을 활용해 40~50나노미터(㎚) 크기의 나노입자를 티타늄 분말 내부에 분포시키는 제조기술 개발에 성공했다"고 설명했다.

in-situ로 합금한 분말은 이전의 방식과 비교해 나노입자가 균일하게 분포돼 3D프린팅에서의 결함을 줄일 수 있고 제조 과정에서 나노입자가 튕겨져 나가지 않아 별도처리 과정없이도 100% 재사용 가능하다.

박형기 수석연구원은 "나노입자 일체형 티타늄 분말을 사용하면 3D프린팅 부품의 기계적 특성과 신뢰성이 모두 향상되기 때문에 향후 3D프린팅 기술의 핵심 소재로 활용될 것"이라며 "다양한 산업의 티타늄 부품에 적용 가능해 금속 3D프린팅 세계시장 선점도 가능하다"고 말했다.

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