메탈3D프린터란..?

금속제품을 출력하는 메탈 3D프린터!

오늘은 금속 3D프린터의 모든 것에 대해 알아보려고 하는데요, 먼저 RP(Rapid prototype) 기술은 제품 디자인을 해서 3D데이터를 바탕으로 소재를 한 층씩 쌓아 올려 형상을 제작하는 기계입니다.

1987년 3D시스템즈 창업자 Chuck Hull이 SLA장비 개발을 시작으로 FDM방식과 SLS방식 장비가 개발되어 제조업에 많은 도움이 되어 왔는데요, 최근에는 금속 3D프린터까지 개발되면서 다양한 분야에서 활발히 활용되고 있습니다.

쾌속조형방식이 개발되기 전에는 금속가공을 하려면 기존가공방식으로 대부분 제작해왔습니다.

기존가공방식은 커다란 덩어리의 소재를 깎아서 제품을 제작하는 방식인데 대량으로 제작하기에는 적합하지만 소량으로는 제작이 어려워 최근에는 3D Printer를 많이 활용하는 추세입니다.

1. 메탈 3D프린터

메탈 3D프린터는 금속 3D프린터를 일컫는데요, 말 그대로 시제품을 금속 소재로 출력하는 것을 말하며 레이저 클래딩이라는 기술을 응용한 것으로 금속 분말을 노즐을 통해 뿌리는 동시에 레이저로 녹여서 균일한 두께로 적층하는 것을 말합니다.

 

이 방식은 제품 생산보다는 금속 가공품의 수리에 많이 쓰였는데요, 예를 들어 플라스틱 사출을 위한 금속 금형이나 금속 터빈 구성품에 미세한 손상이 가면 이것으로 손상 부위만 메꾸고 후처리를 해 다시 원상복귀 시키는 용도였습니다.

 

절삭가공방식은 어렵고 복잡한 형상의 경우 툴(Tool)이 닿지 않는 곳은 가공이 안되기 때문에 제작이 어려웠다면 적층가공방식으로 기존에 만들 수 없었던 모형 표현이 가능해졌습니다.

플라스틱 소재를 사용했던 초창기와 달리 다양한 금속 재료를 가공해 원하는 모형을 제작할 수 있으며 금형없이 부품을 만들 수 있어 시간과 비용도 줄일 수 있어 산업 현장에서의 활용도가 매우 높습니다.

3D Printer용 금속 소재의 대부분은 금속판이나 와이어 타입의 사용은 많지 않으며, 대부분 PBF방식이나 DED방식으로 제조되기 때문에 대부분 금속분말이 사용되고 있고, 메탈장비의 기본은 SLS방식입니다.

 

PBF방식은 분말에 레이저를 조사해 녹인 후 적층시켜 입체형상을 제작하는 방식으로 한층을 용융한 파우더 베드가 하강하고, 다시 한층에 분말을 공급해 또다시 레이저를 조사하는 과정을 반복하게 되면서 제품을 완성합니다.

 

그리고 DED방식은 보호가스 분위기에서 분말을 실시간으로 공급하고 고출력의 레이저를 사용해 공급 즉시 용융시켜 적층해 형상을 만드는 방식입니다.

DED방식보다는 상대적으로 정밀하고 형상 자유도 구현에 유리한 PBF방식이 더 많이 판매되어 활용되고 있습니다.

 

DED(Directed energy deposition)방식과 Metal powder bed fusion방식의 금속 3D프린터에서 사용되는 재료는 스틸, 티타늄, 티타늄합금, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 동 등이 상용화 되어 있으며 이것에 한정되어 있지 않고, 사용할 수 있는 종류를 재료업체들이 계속 개발하고 있어 종류가 많이 늘어나고 있어 3D프린터 시장 규모가 점점 늘어날 것으로 예상됩니다.

2. 특징

① 복잡한 형상들을 디자인의 한계 없이 실제 금속 부픔을 제작할 수 있다.

② 제조 과정이 간소해졌다.

③ 재료 낭비를 줄일 수 있다.

④ 조립에 필요한 시간과 자원을 절약할 수 있다.

⑤ 제작 속도가 빠른 편이다.

⑥ 정밀도가 우수하다.

⑦ 내부 공간을 비울 수 있어 무게를 줄일 수 있다.

⑧ 부품 특성을 최대화하기 위해 열처리 과정이 필요할 수 있다.

3. 종류

금속 프린터는 크게 PBF와 DED로 나눌 수 있다.

① PBF(Powder Bed Fusion)

- 분말을 소재로 파우더 베드에 분말을 평평하게 ᄁᆞᆯ고 고에너지의 레이저나 전자빔을 선택적으로 조사하여 소결시키거나 용융시켜 적층하는 방법으로 이 방식의 최고 장점은 복잡한 형상도 출력 가능하다는 것과 정밀도가 우수하다는 것인데요, 다만 생산성이 낮고, 제품의 강도가 약하고 충격치를 확보하기 어렵다는 단점이 있습니다.

② DED(Directed Energy Deposition)

- 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 조사하면 순간적으로 용융지가 생성되는 동시에 금속분말도 공급되어 실시간으로 적층하는데 용접과 유사한 방법으로 기존 제품에 덧붙여 쌓아 올릴 수 있어 보수작업에 용이합니다.

그리고 분말을 동시에 활용해 실시간으로 합금을 제작하거나 다른 재질을 사용할 수 있고, 생산성이 높다는 장점이 있지만 정밀도가 낮아서 후가공이 필요하다는 단점이 있습니다.

 

두 가지 방식 중 사용 용도와 목적에 따라 적합한 방법을 활용해 제품을 제작하면 되는데 각각의 장단점이 있기 때문에 어떤 방식이 더 좋다고 판단해 말하기는 어렵습니다.

4. 금속가공과 3D프린터의 차이점

CNC는 커다란 원재료 덩어리를 조각해서 형상을 만드는 방식으로 제품의 품질을 매우 우수하지만 채색 작업이 필요하다면 별도의 작업을 따로 진행해야 하고, 재료를 깎아서 형상을 만드는 방식이기 때문에 재료 소비가 크고, 굴곡이 많은 제품은 제작하기 어렵습니다.

 

이 두 가지 방식의 공통점은 입체 조형이 자유롭다는 것과 장비와 소재가 비싸다는 것입니다.

작동 방식에 있어서는 유사한 점이 많지만 한 가지는 소재를 깎아서 형상을 만든다는 것, 그리고 또 다른 한 가지는 소재를 한 층씩 쌓아 올려 형상을 만드는 다는 것이 가장 큰 차이입니다.

오늘은 메탈3D프린터에 대해 포스팅 해보았는데요, 이 기술은 주로 우주항공 분야에서 활용되고 있으며 2015년에는 NASA에서 이 방식의 장비를 활용해 고성능 로켓 엔진의 연소 실험에 성공하였고, 비행기를 만드는 보잉사는 항공기에 들어가는 2만 개의 부품을 금속프린터로 제작해 공급하고 있다고 합니다.

다양한 분야에서 활용될 무한한 가능성을 가진 메탈 3d프린터!

단점을 보완해 개발한다면 더 많은 분야에서 활용되지 않을까 기대해봅니다.