재료硏, 3D프린팅 분말소재 기술 국산화 성공

- 공정 중 발생하는 결함 예측 모델 세계 최초 제시

김경태(왼쪽) 박사와 재료연 최중호 연구원이 개발한 알루미늄 합금 분말을 들어보이고 있다.[한국재료연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국재료연구원은 김경태 박사연구팀이 현대자동차, 포항공대 김형섭 교수와 공동연구를 통해, 차세대 모빌리티 부품용 고강도 알루미늄합금의 3D프린팅 전용 분말 소재 제조기술을 국산화에 성공했다고 13일 밝혔다. 연구진은 공정 과정에서 발생하는 응고 균열 거동 문제를 사전에 예측하는 모델을 세계 최초로 제시하는 데도 성공했다.

지금까지는 금속 3D프린팅 전용 고강도 알루미늄 분말 소재 기술과 균열 등 결함 예측 기술이 각기 따로 개발돼 통합 솔루션 제공에 어려움이 있었다. 특히 응고 균열 거동 예측 모델은 균열 발생의 경향성은 알 수 있지만, 응고 균열 발생의 임계점 예측이 어려워 재료와 공정에 변화가 있을 때마다 임계점을 실험해 직접 찾아야만 했다.

이번에 개발한 기술은 레이저 기반 3D프린팅 공정 특성을 고려한 고강도 7000계열 알루미늄합금 복합분말 합성공정을 국산화하고, 이와 함께 공정 과정에서 균열이 발생하는 조건을 세계 최초로 수치화했다. 균열생성 임계점 예측이 가능해 고강도 알루미늄 3D프린팅 부품 제조에 최적의 솔루션 제공이 가능하다. 이로 인해 항공·우주·모빌리티 분야 핵심소재인 7000계열 알루미늄합금의 3D프린팅 공정 적용이 가능해짐에 따라 향후 개발기술의 광범위한 활용이 기대된다.

□ 기존의 7000계열 고강도 알루미늄합금은 응고 균열로 인해 레이저 기반 3D프린팅이 불가능했다. 이를 개선한 분말이 보잉, GM의 공동연구로 개발된 바 있지만, 기술의 내재화로 인해 국산화를 위한 기술적 장벽이 높은 편이다. 이 기술은 개발 복합분말을 사용하여 레이저 공정 조건을 적절하게 조합하면 균열이 없고 Al-Si계열 적층소재와 비교해 2배 이상의 항복강도를 가진 알루미늄합금을 제조할 수 있다. 경제성과 물성을 동시에 확보하는 방향성을 제시해 그 의미가 크다.

3D프린팅용 고강도 알루미늄합금 소재는 해외 선진기업에 의해 고가에 독점 공급되고 있어, 이번 기술개발을 통해 국산화에 의한 수입 대체 효과는 물론, 분말과 공정을 결합한 통합 솔루션의 수출 또한 가능할 것으로 전망된다.

김경태 박사는 “이 기술은 현재 전량 수입에 의존하는 3D프린팅용 금속 분말 소재 분야에서 고부가가치 경량 알루미늄합금 분말의 국산화 방향을 제시할 모델이 될 것”이라며 “향후 소재와 연계한 공정 기술의 저가격 상용화를 위해 국내 금속 3D프린팅 수요 및 분말 생산업계와 면밀한 협업이 요구된다”라고 말했다.

이번 연구성과는 3D프린팅 분야 국제학술지 ‘애디티브 매뉴팩쳐링(Additive Manufacturing) 1월 25일자로 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com