금속 3D프린팅에 대해 알아봅시다

[파트너 기고] 한국교통대학교 3D프린팅센터

이 글은 캐파 파트너(제조업체)인 <한국교통대 3D프린팅센터> 이성현 과장님께서 작성해 주셨습니다. 온라인 제조 플랫폼 캐파(CAPA)에 회원으로 가입하면 <한국교통대 3D프린팅센터>를 비롯해 최고의 전문성을 갖춘 3D프린팅 제조업체들의 상담을 받고 외주 제조를 진행할 수 있습니다.

금속3D프린팅이란?

먼저 ‘3D프린팅’이란 특정 재료를 층층이 쌓아 올려 3차원의 입체 형상 제품을 제작하는 제조 방식을 가리킵니다. 적층제조(Additive Manufacturing)라고도 합니다. 지난 1980년대 처음 관련 기술이 발명된 이래 3D프린터 기술은 지속적으로 발전해 왔습니다.

3D프린팅 기술 뿐 아니라 여기에 사용되는 소재 개발도 꾸준히 이뤄졌습니다. 지금은 ABS, PLA, PP, Nylon, Carbon, 고무, 모레, 생체적합 의료소재, Stainless, Titanium, Cobalt-Chrome, Inconel 등 예전에는 생각하지 못했던 다양한 소재가 3D프린팅의 재료로 사용되고 있습니다. 이 중 금속 소재를 이용한 3D프린팅(3D프린터)을 금속 3D프린팅이라고 합니다.

금속 3D프린터는 어떻게 작동하나요?

금속 3D프린터의 기본적인 원리는 재료를 한층한층 쌓아 올리는 일반적인 3D프린터와 같습니다. 다만 플라스틱에 비해 다루기 어려운 금속이라는 소재를 자유자재로 컨트롤하기 위해 일반적인 3D프린터와는 약간 다른 방식으로 작동합니다.

우선 금속3D프린터는 크게 두가지 종류로 나뉩니다. 첫 번째는 플라스틱 소재 3D프린터의 제조 방식 중 하나인 FDM 방식과 유사합니다. 즉, 노즐 부분에서 금속 분말을 쌓아 올라가는 방식으로, 이를 BMD방식(Bound Metal Deposition)이라고 합니다.

다른 하나는 금속 분말(파우더)을 프린터 바닥에 얇게 도포한 뒤, 만들고자 하는 제품의 형상에 따라 해당 파우더 부위에 고출력, 고정밀의 레이저를 쏘는 방식입니다. 이때 고열의 레이저로 가열되는 금속 파우더 부위에 미세 용융(melting)이 일어나면서 입자들이 뭉치게 됩니다. 쉽게 생각하면 미세한 파우더를 레이저로 용접해 작은 덩어리를 만들고, 이러한 과정을 여러 번 반복하며 층층이 쌓는 방식으로 하나의 큰 3차원 덩어리(제품)를 제작한다고 보면 됩니다. 이러한 방식을 PBF(Powder Bed Fusion) 방식이라고 합니다.

지금 소개해 드린 2가지 방식 외에 다른 방식을 사용하는 금속 3D프린터들도 있습니다. 다만, 수많은 제품군을 일일이 열거할 수 없기에 가장 대표적인 2가지 방식을 설명해드렸습니다.

왜 금속 3D프린터를 사용할까요?

금속 제품을 가공할 때는 보통 CNC 공작기계를 이용해 절삭 가공하는 방식을 사용합니다. 여전히 가장 보편적으로 사용되는 금속 가공 방식입니다. 특히 CNC 공작기계를 이용하면 정밀도나 표면 조도 등에서 현재의 금속3D프린터가 구현할 수 있는 것보다 월등히 나은 품질의 제품을 만들 수 있습니다.

다만 이 같은 절삭 가공 방식에는 ‘맹점’이 있습니다. 커다란 금속 덩어리를 공작기계 끝에 부착된 절삭 공구를 이용해 깎아내며 형상을 제작하는 방식이다 보니, 물리적으로 절삭 공구가 닿지 않는 부분이 생길 수밖에 없습니다. 기술이 발전하면서 3축, 5축에 이어 7축까지 등장해 다양한 각도로 공구를 회전시킬 수 있도록 했지만 여전히 한계는 존재합니다.

예를 들어 내부가 비어있는 ‘금속공’을 만든다고 생각해 보겠습니다. 금속공의 외부는 절삭 공구를 이용해 얼마든지 깎아내며 만들 수 있지만 내부를 가공하려면 방법이 마땅치 않습니다. 외부에 구멍을 뚫거나 가운데를 자르지 않는 이상 공구가 들어갈 수 없습니다. 혹시 절삭 가공 방식으로 만든, 내부가 비어있는 금속공을 보셨다면 이는 분명 중간을 자르거나 구멍을 뚫어 내부를 비운 뒤 용접이나 기타 다양한 방법으로 이어 붙여 깔끔하게 연마처리를 한 제품일 것입니다.

이와 달리 금속3D프린터는 적층 제조 방식이기 때문에 필요한 부분만 레이저를 쏘아 한층한층 쌓아올리면 내부가 빈 금속공을 제작할 수 있습니다. 이처럼 제품의 형상에 따라 금속3D프린터를 이용하는 것이 훨씬 유리할 수 있습니다.

금속과 3D프린팅의 시너지…의료·우주항공 등 사용범위 확대

주로 플라스틱 소재 제품을 제조하는 데 사용되던 3D프린팅이 금속과 결합하면서 탄생한 금속 3D프린팅의 활용 범위는 갈수록 확대되고 있습니다. ‘적층가공’이라는 3D프린팅 고유의 특성과 금속이란 소재가 ‘시너지’를 내게 된 것이죠. 실제로 일반 기계 부품에서부터 의료, 우주항공 분야에 이르기까지 그 활용 분야는 몹시 다양합니다. 몇 가지 예시를 들어보겠습니다.

• 의료 분야

최근 금속 3D프린팅이 가장 활발히 사용되는 분야로 의료, 그 중에서도 임플란트 제작이 꼽힙니다. 먼저 임플란트는 특성상 환자 개개인마다 미묘하게 다른 신체 형태에 맞게 맞춤형으로 제작되어야 합니다. 기존 기계 가공 방식으로 일일이 맞춤 제작을 하려면 제작 시간도 오래 걸리고 환자 입장에선 비용도 많이 듭니다. 이에 비해 3D프린팅 방식은 맞춤형 생산을 하더라도 시간이나 단가에 거의 영향을 미치지 않습니다.

또한 임플란트는 특성상 미세한 구멍이 뚫려있는 다공성 구조로 제작되는 것이 유리합니다. 임플란트가 환자 몸에 이식된 뒤 뼈나 살, 혈관 등이 임플란트의 미세한 공간으로 스며들어 임플란트와 얼기설기 엮여야 보다 튼튼하게 환자의 몸에 원래 신체처럼 자리잡을 수 있기 때문입니다.

특히 가장 대표적인 소재인 티타늄 임플란트의 경우 기존 기계가공 방식으로는 다공성 구조로 제작하는 데 한계가 있습니다. 이러한 특성을 감안할 때 금속3D프린팅은 적은 비용으로 고품질의 티타늄 임플란트를 제작하는 데 이상적이라 할 수 있습니다.

• 우주항공 분야

항공기나 우주선, 로켓 등과 같은 우주항공 분야에서의 가장 큰 난관은 기계나 부품을 경량화하면서 우주 공간 같은 극한의 환경에서도 구조적으로 안정을 유지할 수 있도록 하는 것입니다. 단 1kg이라도 무게를 줄일 수 있다면 그만큼 연료를 아끼거나 좀 더 중요한 다른 적재물을 채울 수 있기 때문입니다.

기존 항공기나 로켓의 경우, 이를 위해 날개 같은 동체를 분할 제작한 뒤 내부를 비우고 다시 용접하는 식으로 경량화를 달성했습니다. 하지만 비행장치에서 가장 중요한 날개 부분을 용접한다는 것은 아무리 정밀한 용접을 하더라도 구조적으로 안정성이 떨어질 수 밖에 없습니다.

이러한 구조물을 적층제조인 금속3D프린터로 제작하게 되면 애초에 내부가 비워져 있으면서 높은 강도를 유지함으로써 구조적 안정성을 확보할 수 있습니다. 용접 없이도 일체형으로 날개를 제작할 수 있는 것입니다.

금속 3D프린팅 활용, 미래 아닌 ‘현재진행형’

앞에서 설명드린 내용들은 먼 미래의 얘기가 아닙니다. 이미 개발이 이뤄져 현재 일선 제조 현장에서 실제로 사용 중인 사례들입니다. 이렇듯 아직은 일반 대중에게 낯선 금속3D프린터가 지금 이 순간에도 우리 산업현장에 적용되고 있고, 보다 다양한 가능성을 두고 활용,발전되고 있습니다.

물론, 금속 3D프린팅이 기존 제조 방식을 모두 대체할 만큼 만능은 아닙니다. 앞서 살펴본 사례들처럼 부품을 경량화하거나 다공성 구조로 만드는 등 특수한 상황에는 금속 3D프린팅이 적합하지만, 별다른 제한이 없다면 아직은 CNC 가공기계 등을 사용하는 기존 기계가공 방식이 비용이나 품질 면에서 유리합니다. 아직은 경제성 등을 따져볼 때 개선과 추가 개발이 더 이뤄져야 하는 분야입니다.

다만, 이 글을 읽어보셨다면 현재 제조 현장에서 사용되는 다양한 제조 방법 중에 금속3D프린팅과 같은 제조 방식 또한 있다는 걸 기억해두면 좋을 것 같습니다. 기억 속에 잠시 묻어뒀다 언젠가 금속 부품을 제조할 때 떠올리신다면, 요긴하게 사용하실 수 있을 것입니다.

<한국교통대 3D프린팅센터> 주요 업력

- 2013년 설립
- 2016년 정부 주관 '3d프린팅 충북센터' 7년 연속 선정
- 2022년 독일 3D프린터 제조업체 SLM SOLUTIONS와 MOU 체결
- 식품의약품안전처 GMP 인증
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