인공 가슴 뼈 사흘 만에 뚝딱…타이타늄 3D 프린팅 기술 개발

생기원 "타이타늄 쌓는 속도 두배 이상↑…결함 제어"

SLM 공정 기술로 제작한 인공 흉부 뼈 [한국생산기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

(천안=연합뉴스) 박주영 기자 = 한국생산기술연구원은 김건희·이호년 수석연구원 공동 연구팀이 타이타늄의 적층 속도를 기존의 두 배 이상 높인 '선택적 레이저 응용'(SLM) 공정 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

SLM 공정은 금속 분말을 고출력 레이저로 녹여 층층이 쌓아 올리는(적층) 3차원(3D) 프린팅 기술로, 복합한 형상도 정밀하게 제작할 수 있다.

우수한 강도와 내식성을 갖고 있어 의료·항공우주 산업 핵심 소재로 쓰이는 타이타늄을 SLM 공정에 적용하기 위한 연구가 최근 시도되고 있지만, 적층이 오래 걸리는 데다 소재가 두꺼워질수록 에너지 전달률이 떨어져 기공 등 결함이 발생하는 문제가 있었다.

연구팀은 단일 레이저 열원만으로 타이타늄을 빠르게 적층하면서 물성 조건까지 충족하는 공정 조건을 개발했다.

타이타늄 분말이 완전히 녹아 굳는 데 필요한 에너지를 계산, 이를 바탕으로 레이저 출력과 주소 속도와 간격, 적층 두께 등 공정 변수를 조합해 적층에 최적화된 에너지 밀도를 도출해 냈다.

레이저 에너지가 부족할 경우 금속이 완전히 녹지 않아 내부에 빈틈이 생기고, 과하면 표면이 패여 표면 팽창·수축 등 결함이 발생할 수 있다.

연구팀은 각 결함 발생 조건을 정밀 분석, 에너지 밀도와 공정 변수를 실시간으로 자동 조절해 결함을 제어할 수 있는 공정 데이터베이스를 구축했다.

이와 함께 적층 과정에서 급속 냉각을 유도하는 방법으로 마르텐사이트(철 등을 담금질할 때 생기는 매우 단단한 조직 상태)를 형성, 합금 없이도 타이타늄 본연의 강도를 높였다.

연구팀은 개발한 기술을 이용해 통상 5일 이상 걸리던 성인 평균 크기의 흉곽 임플란트 적층 시간을 사흘 이내로 줄이는 데 성공했다.

김건희 수석연구원은 "환자 맞춤형 의료기기 제작 기간을 단축해 위급한 환자의 수술 대기시간을 줄일 수 있다"며 "알루미늄, 니켈, 철계 합금 등 다양한 금속 소재로 기술을 확장하는 후속 연구를 진행할 계획"이라고 말했다.

SLM 공정기술로 제작한 인공 발목뼈 [한국생산기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

jyoung@yna.co.kr

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