금속 적층제조 기술 연구동향 및 이슈

Research Trends and Issues in Metal Additive Manufacturing

1. 서론

최근 전 세계적으로 적층제조(additive manufacturing, AM) 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 적층제조 기술은 기존의 제작방식을 혁신적으로 변화시킬 수 있는 획기적인 기술 중 하나로 다양한 소재를 이용하여 입체적 물체를 제작할 수 있는 기술이다. 이 기술은 절삭에 의한 전통적인 제조방식과 비교하여 적용되는 분야에 따라 제조비용, 시간, 제품 성능 등의 개선이 가능하여 다양한 분야에서 제품의 제작과 생산에 적층제조 기술이 적용되고 있다[1-13].

미국재료시험학회 ASTM F2792-12a 에서는 기존에 RP나 쾌속조형 기술로 표현하던 용어들을 3D 프린팅 또는 적층제조 기술로 표준화 하였으며, 적층방식에 따라 다음의 7가지 방식으로 분류하였다. 재료 압출방식(material extrusion, ME), 재료 분사방식(material jetting, MJ), 접착제 분사방식(binder jetting, BJ), 판재 적층 방식(sheet lamination, SHL), 액조 광경화 방식(vat photo polymerization, 또는 광수지화방식, VPP), 분말 베드 융해 방식(powder bed fusion, PBF), 에너지 제어 융착 방식(direct energy deposition, DED)이 그것이다[14-18].

Table 1 에는 이들 7가지 기술을 정의하여 나타내었으며, Fig. 1에는 이들 7가지 기술과 적층제조에 의해 제조된 제품들을 나타내었다. 이 중에서 금속의 적층제조에는 주로 분말 베드 융해(PBF) 방식과 에너지 제어 용착(DED) 방식 (실제 Metal Extrusion(ME), Material Jetting(MJ), Binder Jetting(BJ) 및 SHL 방식도 금속의 적층이 가능하나 활발하게 사용되고 있지는 않음)이 가장 많이 적용되고 있다.

Table 1 Definition of 7 additive manufacturing technologies according to AM method

Fig. 1 7 Technologies of additive manufacturing according to the AM method (Source : google image reconstruction)

Table 2 에는 분말 베드 융해 방식 장비의 주요 특성에 대해 나타내었으며, Table 3 에는 에너지 제어 용착 방식 장비의 주요 특성에 대해 나타내었다. 분말 베드 융해 방식의 경우 수직방향에서의 적층제조시 언더컷(under cut)이 발생하는 복잡한 형상의 금속제품을 적층제조 하는데 적합한 방식이며, 주로 의료용 임플란트, 두개골, 고관절 등 의료용과 항공기 및 자동차 부품, 사출금형의 냉각 채널 제조 등에 널리 적용되고 있다. 이와는 대조적으로 에너지 제어 용착 방식의 경우 언더컷이 발생하는 복잡한 형상의 금속 제품을 제조하는 경우에는 분말 베드 융해 방식에 비해 불리하나 상대적으로 사용되는 분말 크기가 크고 적층소도가 빠르며, 고출력의 레이저를 사용하기 때문에 금형 및 고경도 금속 부품의 제작과 수리에 적합한 기술이다.

Table 2 Characteristics of PBF method

Table 3 Characteristics of DED method

금속 적층제조 기술은 사용되는 분말 소재 가격이 상용 금속 단조재 소재들에 비해 고가이며 종래의 기계가공에 의한 제조기술과 비교하여 제조 시간이 많이 소요된다. 따라서 항공. 우주, 의료, 발전, 자동차 산업과 같은 고부가가치 산업에 적용되고 있으며 지속적으로 다양한 상용화 기술에 대한 연구가 활발하게 이루어 지고 있다. 이와는 대조적으로 뿌리산업과 같이 상대적으로 부가가치성이 낮은 산업분야에서는 종래의 기술과 비교하여 경제성이 낮아 적용분야를 확대하는데 한계를 보이고 있다. 본 논고에서는 금속 적층제조 기술의 산업적 저변확대를 위해 주요 관련산업과 요소 기술 연구 동향 및 이슈에 대해 소개 하고자 한다.

2. 관련 산업 연구동향

2.1 적층제조 산업 연구동향

적층제조 기술은 1984년 Charles hull에 의하여 처음 적층 공정인 광경화수지 조형방식 공정(stereolithography, SL)이 제안되었으며, 2013년 미국의 버락 오바마 대통령의 기조연설에서 제조업을 살릴 주요 기술로 주목 받기 시작했다. 이 기술은 2016년 세계경제포럼(world economic forun2016, WEF)에서 주창된 제4차 산업혁명(The fourth industrial revolution)의 6대 기술혁신 분야로 선정된 후 현재까지 다양한 분야에서 상용화 기술이 개발되어 적용되고 있다. 또한, 2015년 다보스 포럼에서도 기술 융, 복합을 통한 제조업 혁신 패러다임 변화를 중요 사례로 들면서 3D 프린팅 기술을 언급하였다. 글로벌 선진국들은 자국의 산업 경쟁력 강화를 위해 적층제조 산업을 전략적으로 지원 및 육성하고 있다[19].

적층제조 기술은 사물인터넷, 인공지능, 빅데이터 등화 함께 제조 산업 분야의 디지털화를 통해 산업구조 및 제품생산의 변화를 선도할 기술로서 4차 산업혁명을 대비하는 현시점에서 반드시 국가적 경쟁력을 갖춰야 할 핵심 기술 중 하나이다. 적층제조 기술은 초기에는 단순한 제품의 모형(prototype)과 시제품을 만드는데 주로 적용되었으나 2013년을 기점으로 본격적으로 금속 분말 소재를 활용한 고부가가치 기능성 부품을 제조하는 기술을 개발하기 시작하면서 급격히 성장하기 시작했다. 그 결과, 최근 몇 년간 적층제조 산업에서 금속분말 기반 적층제조 기술 및 연구 분야가 가장 많이 성장하였다. 2019년 기준 금속분말 기반 적층제조 산업분야의 시장 점유율이 전체 적층제조 산업 중에서 가장 높게 나타났다.

Fig 2에는 주요 적층제조 장비 제조업체별 현황 및 최근 기술개발 동향에 대해 나타내었으며, Fig 3에는 2019년 기준 금속 적층제조 산업의 시장 점유율을 나타내었다[20]. 그러나 금속분말 기반의 적층제조 산업은 종래의 절삭가공을 포함한 대량생산에 적용되던 제조 기술들과 비교하여 부품 제조 시간 및 비용의 증가, 출력물의 신뢰성 확보와 같은 문제들이 여전히 남아있다.

Fig. 2 Technology development trend by major world additive manufacturing equipment manufactures. (Photo Source: Website of each company)

Fig. 3 Metal additive manufacturing market share [19].

이러한 문제들을 극복하기 위해 미국의 적층제조혁신협회(National Additive Manufacturing Innovation Institute, NAMII), 미국 재료시험 학회(American Society for Testing and Materials, ASTM)는 적층제조에 사용되는 소재 및 적층공정에 대한 표준을 개발하기 위해 공동연구를 진행 중이다[21-22]. 또한, 금속적층제조 기술의 산업적 저변 확대를 위해서는 종래의 산업분야에 접목할 수 있는 다양한 상용화 기술의 추가적인 개발이 필요하다. 그러나 종래의 금속 및 기계가공과 관련된 제조업체에서는 이 금속 적층제조 기술에 대해 깊이 있게 이해하고 있는 전문 인력이 부족한 실정이다. 금속 적층제조(3D 프린팅) 장비 제조업체에서는 종래의 금속 및 기계가공과 관련된 산업분야에서 제조되고 있는 제품의 제조방식이나 특성에 대한 이해도가 부족하여 각각의 산업별 제품 제조에 필요한 특화된 장비 제조 기술이나 이를 이용한 응용기술 개발에 어려움이 있다. Fig 4에는 전 세계 적층산업에 종사하는 171개 주요 업체들을 기준으로 적층제조 산업과 관련된 산업 환경에 대해 나타내었다[23]. 이러한 다양한 관련 기업들과 연계하여 지속적인 상용화 응용 기술들을 개발하기 위해서는 적층제조 장비 업체, 소재 업체, 소프트웨어 개발업체와 종래의 금속 및 기계가공과 관련된 기술로 사업을 영위하고 있는 제조업체들 간의 산업 간 이해를 통한 융. 복합화가 필요하다.

Fig.4 (a) Metal additive manufacturing technology landscape [22] , (b) Industrial adoption of additive manufacturing [https://encyclopedia.pub/entry/7892]

이러한 산업적 요구에 따라 최근 국내에서는 3D 프린팅 대구센타(www.3dprinter.or.kr), 3D 융합기술지원센타(www.3dc.or.kr), 3D 프린팅 제조혁신센타(kamic.or.kr) 등에서 적층제조 특화 설계기술에 위상기하학 최적화(topology optimization)기술을 접목한 적층제조 설계기술(design for additive manufacturing, DfAM)로 자동차를 완성하기도 하였다. 적층제조 특화설계 기술은 설계 단계부터 3D 프린팅 기술의 특성을 최대한 활용하여 디자인하고 제품을 만들어 내는 기술이다. 이 적층제조 특화설계는 복잡한 모양의 물체를 구현하는데 용이하고, 하나의 부품에 여러 가지 다중 소재를 함께 사용할 수도 있으며[24], 격자 구조나 그물 구조화 같은 다차원 설계가 가능하다. 또한, 다중물리 해석(multi-physics analysis) 기술을 적극 활용한 최적 설계기법을 도출하는데 적용할 수 있다는 장점이 있다.

위상기하학 최적화 방식은 수학적 계산을 통해 재료를 배치하여 제품의 강도, 중량, 소요시간을 획기적으로 개선시키는 방식으로 종래의 제조기술과 비교하여 불필요한 부분은 과감히 생략하고 적층제조 기술을 이용하여 제조공정의 효율성을 향상할 수 있는 기술이다[25]. 아직까지는 고분자(Polymer) 소재를 사용하는 적층제조 기술이 시장에서 가장 많은 부분을 차지하고 있지만 최근 몇 년 사이에는 금속 적층제조 기술이 많은 관심을 받고 있다.

고분자 소재를 사용하는 적층제조 공정으로 제조된 출력물은 전통적인 제조방식에서 제조된 생산 제품과 품질 면에서 차이가 있다. 금속 적층제조로 제조된 출력물의 기계적 물성은 전통적인 제조 방식인 주조와 단조공정에 의해 제조된 소재들과 비교하여 비슷하거나 더 좋은 경우도 있다. 이러한 점이 금속 적층제조 기술이 주목 받고 있는 주요한 이유 중 하나이다. 여러 가지 금속 적층제조 방식 중에서 산업적으로 가장 많이 사용되고 있는 기술은 분말 베드 융해 방식(PBF)과 에너지 제어 융착 방식(DED)이다.

Table 2와 Table 3에 나타낸 이들 기술을 좀더 자세히 살펴보면, 분말 베드 융해 방식은 금속분말 소재를 파우더 배드에 평평하게 깔고 고에너지의 레이저나 전자빔을 선택적으로 조사하여 소결 또는 용융시켜 적층하는 방법이다. 분말 베드 융해 방식의 가장 큰 장점은 복잡한 형상을 적층제조하는데 유리하며, 난삭제(Difficult to cut material) 가공이나 형상이 복잡한 고부가 가치 제품을 생산하는데 적합한 방식이다. 이 분말 베드 융해 방식은 에너지 제어 용착 방식에 비해 크기가 작은 금속분말을 사용하여 상대적으로 치수정밀도 및 표면조도가 우수하지만 생산성이 낮고 적층 제품의 소결 및 용융 균일도가 좋지 못해 출력물의 강도가 약하고 높은 충격값을 확보하기 어렵다는 단점이 있다. 이 방식은 독일의 EOS사가 분말과 레이저 열원을 기반으로 하는 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 공정을 선보인 것을 시작으로 발전되었으며, 현재는 많은 업체가 용융 방식의(Selective Laser Melting, SLM) 공정 위주로 다양한 응용기술들이 개발되고 있다.

한편, 에너지 제어 용착 방식은 분말 베드 융해 방식과 비교하여 상대적으로 사용되는 분말의 크기가 크며 고출력의 레이저를 사용한다는 특징이 있다. 고출력의 레이저 빔을 금속 표면에 조사하여 순간적으로 용융 풀이 생성되는 동시에 금속분말을 연속적으로 실시간으로 공급하면서 적층하는 방식의 장비이다. 이 방법은 종래의 용접(Welding)과 유사한 방법으로 기존 제품에 덧붙여 쌓아 올릴 수 있어 고경도 소재를 이용한 금형 및 금속부품의 제작과 보수에 적합한 방식이다. 또한, 여러가지 분말을 동시에 활용하여 실시간으로 합금을 제작하거나 하나의 부품에 다종 금속 소재를 적용하여 제작이 가능하다. 에너지 제어 용착 방식은 분말 베드 융해 방식에 비해 적층제조 후 표면 조도 값이 낮아 후가공의 양이 많은 단점이 있지만 생산성이 높고 상대적으로 적층제조의 재현 반복성이 뛰어나며 출력물의 강도와 충격값이 높은 장점이 있다.

에너지 제어 용착 방식에는 대표적으로 2가지 방식이 있다. 고에너지의 열원으로 레이저나 전자빔을 이용하며, 동축을 통해 금속분말을 공급 및 적층 하는 분말 기반의 방식과 용접과 유사하게 고체 용가재인 선재(Wire)를 공급해 적층제조하는 고체 용가제 기반의 방식이 있다. 또한, 금속 분말 기반의 에너지 제어 용착 방식의 장비는 제작 업체에 따라 DMD(Direct Metal Deposition), DMT(Direct Metal Tooling), CLAD(Construction Laser Additive Direct)등의 다양한 이름으로 연구개발 되어 사용되고 있다. 각각의 장비별 장단점이 있어 적용되는 분야에 따라 적합한 방식의 장비들이 적용되고 있지만, 최근의 연구 동향은 생산성 향상을 위하여 고체 용가재인 선재 방식으로 옮겨지는 추세이다. 이는 티타늄(Ti), 인코넬(Inconel)과 같은 특수 합금 금속분말 소재의 가격과 비교하여 선재 방식에 적용되는 고체 용가재가 저렴하고 생산성 또한 우수하기 때문이다. 이에 따라 낮은 정밀도와 형상 구현 자유도를 가짐에도 불구하고 에너지 제어 용착 방식을 이용한 응용기술에 대한 연구가 뿌리 산업 분야에서는 눈에 띄게 증가하고 있다[26-34].

2.2 적층제조 요소기술과 연구동향

금속 적층제조 기술의 효용성을 향상할 수 있는 주요 요소기술들로는 장비, 공정, 적층제조 특화설계, 소재, 후처리, 인증, 평가 기술 등이 있다.

(1)이 중 첫 번째로 장비 및 공정분야에서의 최근 연구 동향을 살펴보면 오랜 기간 동안 금속 적층제조 분야에서 분말 배드 융해 방식과 에너지 제어 용착 방식이 주류를 이루어 왔다. 최근에는 데스크톱 메탈(https://www.desktopmetal.com/)이나 마크 포지드(https://markforged.com/) 등의 회사에서 재료 압출 방식을 활용하여 금속 필라멘트로 출력하고, 디바인딩(debinding)과 소결(sintering) 과정을 거치는 방식의 금속 적층제조 기술이 개발되고 있다. 휴렛 팩커드사(https://www.hp.com/us-en/home.html)에서도 새로운 방식의 금속 적층제조 장비인 HP 메탈 젯(HP Metal Jet) 적층제조 장비를 소개하였다. 또한 최근들어 적층제조기술과 이종 기술(heterogeneous technology)의 협업 연구들이 활발하게 진행되고 있다.

최근 인공지능(artificial intelligence, AI), 머신러닝(machine learning)등의 첨단 기술이 다양한 분야에서 사용되고 있는데, 적층제조 분야에서도 이러한 신기술들이 접목되고 있다. 미국의 매사추세츠 공과대학 출신들이 만든 잉크 비트(Inkbit) 적층제조 장비의 경우에는 다중 소재를 사용할 수 있고, 사람의 눈역할을 하는 비전 시스템과 머리 역할을 하는 머신러닝 기능을 탑재하여 통합하였다. [35] 통합된 비전 시스템은 출력물의 각 레이어(layer)를 스캔하고 디자인 데이터와 비교하여 불일치하면 그 다음 레이어를 통해 잘못된 점을 수정하고 보정하는 기능을 가지고 있다. 적층제조 공정에서 반복 발생하는 오류(error)는 머신러닝 학습을 통해 개선될 수 있으며, 반복학습을 통해 출력이 진행될수록 기능은 향상되며, 출력물의 결함이나 실패율을 낮춘다.

(2)두 번째로 적층제조 특화 설계 분야에서의 연구 동향을 살펴보면, 다중물리 해석 기반의 설계 및 적층제조 공정 최적화에 대한 기술들이 미국과 독일을 중심으로 전 세계적으로 연구되고 있다. [36] 대표적으로는 1986년에 설립된 3D 시스템즈(https://ko.3dsystems.com/) 사와 1989년에 설립된 스트라타시스(https://www.stratasys.co.kr/) 사가 적층제조 특화 설계 기술과 관련된 분야에서 연구를 활발하게 진행하고 있다. 또한, 향후에는 적층제조 특화 설계 분야의 소프트웨어들이 발전해서 인공지능이나 클라우드 기반의 형태로 제공이 가능하고 제너레이티브 모델링(generative modeling) 기술을 통해서 적층구조에 맞는 형상을 만들고 파트를 통합해서 부품 제작 시 비용 절감과 경량화 달성 및 생산성 향상이 가능한 기술들이 지속적으로 개발될 것으로 예상된다.

최근에는 특히 적층제조 특화설계 분야에서 필요한 멀티피직스(mult-physics)소재의 용융-응고 및 열전달과 변형을 다룰 수 있는 통합 해석 소프트웨어들이 속속 출시되고 있다. 대표적으로는 엠에스씨 소프트웨어사(MSC software)의 시뮤팩트(Simufact), 오토데스크사(Autodest Inc.)의 넷팹(Netfabb), 알테어사(Altair)의 앰피온(Amphyon), 엔시스사(Ansys)의 애디티브 스위트(Additive Suite), 콤솔사의 콤솔 멀티피직스(Comsol Multiphysics) 등이 있다.[37] 이 중에서 금속 적층제조에는 주로 엠에스씨 소프트웨어사의 시뮤팩트와 엔시스사의 애디티브 스위트가 많이 사용되고 있다.

Fig. 5a에는 콤솔 멀티피직스를 이용하여 DED 적층공정에 대한 유한요소해석으로부터 구한 적층과정 중의 재료의 온도변화, 열변형및 적층완료 후의 잔류응력 분포 등을 나타내었다.

Fig. 5a Analysis example of DED AM process using COMSOL-multiphysics (a) analysis modeling preprocessing work (b) analysis conditions, (c) and (d) analysis results [38]

Fig. 5b에는 엔시스 멀티피직스를 이용하여 Ti 분말의 SLM 공정을 해석한 예를 나타내었다.

Fig. 5b Analysis example of SLM AM process; (a) turbine geometry formed fifteen sliced layers [ (b) Residual stresses and distortions field of the turbine complex part [36]

금속 적층제조 공정을 해석적으로 구현하기 위해서는 소재별 온도에 따른 기계적 열 물성이 필요하나 다양한 금속 소재들에 대해서 실험을 통해 소재별 온도에 따른 열 물성을 확보하는 것은 비용과 시간적인 측면에서 어려움이 있다. 또한 해석에 필요한 시간이 너무 많이 소요 된다는 것도 극복해야할 과제이다. 따라서 실험이 아닌 열전달 해석을 통한 소재별 열 물성 확보 기술 개발과 적층공정의 해석 기법 개선을 통한 해석 시간 단축 기술의 개발이 추가적으로 필요하다. 지금까지 확보된 재료물성 데이터는 Inconel 718, AISI 31L, Ti-6Al-4V, AISI 316L, AISI 420 등 매우 한정적이다.[36]

(3)세 번째로 소재 부분에서 제조 방법 및 연구 동향을 살펴보면, 금속분말에 대한 연구와 사용이 가장 활발하게 이루어 지고 있다. 일반적인 분말야 금용 분말 소재의 제조 방법은 생산성이 뛰어난 물(water) 분사 방법을 사용하여 제조하지만 적층제조용 금속분말의 경우에는 아르곤이나 질소 가스등을 사용하여 가스 분무법(gas atomization) 방식으로 제조된다.

이 방법에는 진공 유도 불활성 가스 분무 공정(vacuum induction inert gas atomization process, VIGA), 저온 도가니를 사용한 진공 유도 불활성 가스 분무 공정(vacuum induction inert gas atomization process with cold crucible, VIGA-CC), 전극 유도 가스 분무화 공정(electrode induction gas atomization process, EIGA), 플라즈마 가스 분무 공정(plasma gas atomization process, PGA) 등이 있다.

가스 분무 공정에서 금속 분말을 제조할 때 금속 액적에 작용되는 전단력에 의해 분말 크기의 제어가 가능하므로 분사 가스의 종류(질량), 압력(속도) 및 금속 용탕의 점성 등이 분말제조 시에 주된 제어 변수로 알려져 있다. 적층제조에 사용되는 금속 분말의 품질은 출력물의 밀도, 내부 결함, 각 종 기계적 물성 등에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 분말의 합금 조성, 분말 입도 분포, 구형화율, 유동도 등의 평가가 필요하다[39]. 금속 분말을 다양한 적층방식의 장비에 맞게 선택해서 사용하기 위해서는 가스 분무 공정의 이해와 공정제어를 통한 분말의 크기와 특성 등의 제어기술에 대한 이해가 필요하다. Fig. 6에는 가스분무 장치를 이용한 일반적인 적층제조용 금속분말의 제작순서에 대해 나타내었으며, Table 4 에는 다양한 종류의 가스 분무 공정의 특성에 대해 나타내었다.

Fig. 6 Metal powder production process flow (source: Sandvik Osprey Ltd image reconstruction)

Table 4 Characteristics of various kinds of gas atomization process

또한, 적층제조에 사용되는 금속분말 소재들은 구리를 제외하고는 대부분 합금화된 소재들을 사용하고 있다. 따라서 합금화된 소재별 특성과 적용분야에 따라 관리 기준이 다르게 적용되고 있으며, 적층 제조에 많이 사용되고 있는 금속분말 소재들은 합금 조성과 같은 항목에 별도의 평가 기준을 두고 있다. 예를 들어 타이타늄 합금인 Ti64Al4V 소재의 경우에는 합금 성분 중 산소, 수소 등의 함유량이 출력물의 연신율에 미치는 영향이 크므로 등급에 따라 엄격히 규정하고 있다.

현재의 분말 제조 기술로는 적층제조 공정에 필요한 분말을 제조 시 모두 동일 크기에 분말을 제조하는 것은 불가능하며, 각각의 적층제조 장비마다 출력물의 최적의 밀도와 결함이 없는 제품을 생산하기 위해 특정한 입도 분포를 제안하고 있다. 또한 장비별 허용 가능한 분말의 크기를 최소, 최대, 평균값과 함께 분말 입도 분포도(particle size distribution)개념을 도입하여 관리하고 있다. Fig. 7 에 주요 금속 적층제조 방식 별 사용 가능한 금속분말의 크기와 입도 분포에 대해 나타내었다.

Fig. 7 Available powder and particle size distribution for each metal AM method

AM 에 사용되는 분말의 크기는 보통 수 µm~ 150 µm 정도의 범위이다. PFB 방식의 경우에 10 ~ 45 µm 크기의 분말을 사용하고, DED 방식의 경우는 PBF 보다 큰 45~ 150 µm 크기의 분말이 주로 사용된다. 그러나 SS316L 을 DED 의 일종인 LENS(Laser engineered net shaping)로 적층제조하는 경우에는 평균 15 µm 크기의 분말이 사용되기도 한다.

금속분말의 경우 평균 입도 대비 너무 미세한 분말이 전체 분말에 많이 존재할 경우 레이저나 전자빔과 같은 고에너지 열원에 의해 용융 시 산화발생의 원인이 될 수 있으며, 너무 큰 분말이 존재할 경우 적층제조 시 용융이 되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 분말의 크기와 분말 입도 분포도를 확인하여 적층제조 시 발생할 수 있는 문제점을 사전에 미리 예상하고, 공정조건 선정에 적용하여야 한다. 또한, 분말의 유동도 측면에서의 관리방법은 ASTM 212 에서 겉보기 밀도(Apparent density,)와 탭밀도(Tap density)에 대해서 규정하고 있다. 이에 따르면 겉보기 밀도는 진동 또는 교반 작업 없이 자연 낙하된 상태의 밀도(질량/부피)를 의미하고 있으며, 분말의 형상이 구형에 가깝거나 표면조도가 우수할 수록 겉보기 밀도 값이 높게 평가된다. 탭 밀도는 외부 압력 없이 기계적 진동에 의해서 얻어지는 최대 밀도를 의미하며, ASTM B527 에서 규정하고 있다[40].

분말의 유동성 평가는 하우스너 비(Hausner ratio)를 통해 평가하기도 하며, 하우스너 비는 탭 밀도(Tap density, ρ_T)를 겉보기 밀도(apparent density, ρ_B)로 나눈 값을 의미하며, 아래의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

\(\begin{aligned}H=\frac{\rho_{T}}{\rho B}\end{aligned}\)       (1)

일반적으로 적층제조에 사용되는 금속분말은 1.05-1.3의 하우스너 비를 가지며, 이 값이 1에 가까울수록 분말의 유동도가 우수하다는 것을 나타낸다. 분말 제조공정에서 일부 산소 등을 내포한 기공이 발생할 수 있으며, 이러한 산소를 내포한 기공들은 적층제조 후 출력물의 산소농도가 증가하거나 적층 후에도 기공이 출력물에 남아있는 경우가 많다. 금속분말의 기공과 같은 내부 결함은 분말을 연마 후 표면을 관찰하거나 마이크로 CT장비를 이용하여 측정이 가능하다.

Fig.8에 Ti-6Al-4V 재료의 SLM 공정에서 나타난 몇 가지 결함의 예를 나타내었다. [41] SLM에서 불충분한 에너지 입력이나 과도한 에너지 사용으로 인해 적층재 내에 구멍이 형성되는데. 이 결함은 일반적으로 고에너지 레이저가 적용될 때 기포 또는 액체 계면의 불안정화와 관련이 있는 것을 알려져 있다.

Fig. 8 Examples of defects that can form in SLM materials: (a) porosity formed in SLM Ti-6Al-4V, (b) balling and (c) hot tears [41]

첫 번째 경우(a)는 합금 내의 녹지 않은 분말에 의한 구멍 또는 저융점 성분의 기화에 의한 가스 포획이 발생한 경우이고, 두 번째 경우(b)는 융합 결핍과 관련하여 낮은 에너지 밀도와 높은 에너지 밀도 모두에서 생성되는 볼링효과이다. 이는 낮은 에너지 밀도에서 용융 풀이 레이저 경로의 인접 패스보다 작은 경우에 발생한다. 세 번째 경우(c)는 고온 찢어짐의 형성으로 이는 고온에서 응력에 대한 재료 반응의 결과이다.

적층제조 산업의 소재 시장은 플라스틱 소재가 전체의 70 % 이상을 차지하고 있으나, 고강도 고인성이 요구되는 금속 적층 소재의 시장 성장성이 급속히 확대되고 있다.

그러나 국내 금속분말 소재산업 관련 기업들의 경우 해외 선진 업체들과의 기술격차가 너무 크기 때문에, 기존에 수입 재에 의존하던 구조재 제작에 사용 가능한 금속분말 제조기술의 국산화 연구를 진행하고 있다. 이러한 분말 소재들은 종래의 구조용으로 사용되고 있던 단조재 소재를 금속분말 소재로 제조하는 것에 불과하며, 가격이 원소재인 단조재에 20배 수준으로 경제적으로 활용 가치가 낮다. 이와는 대조적으로 유럽의 선진 철강 및 금속분말 제조업체인 샌드빅(https://www.home.sandvik), 아삽 특수강(https://www.assab.com), 뵐러-우데홀럼(https://www.uddeholm.com), 로발마(https://rovalma.com) 등의 회사에서는 종래의 단조재로 사용하던 소재의 분말화가 아닌 기능성과 경제성을 고려하여 적층제조 분야에 적용 가능한 특화된 금속분말 제조에 관한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 대표적인 연구대상 소재들로는 지르코늄, 고융점 고합금 금속, 자성재료, 비정질 합금, 하이 엔트로피 합금, 형상기억 합금, 기능성 금형강 소재 등이 있다.

(4) 네 번째 후처리 및 인증, 평가 관련 연구동향을 살펴보면 산업계에서 금속 적층제조 기술을 활용하는 경우 제조품의 성능 향상의 목적으로 제조되는 사례가 많으며, 이러한 성능 향상을 위해서는 출력물의 기계적 물성이 중요한 기준이 된다. 또한 단순히 출력물의 제작에서 끝나지 않고, AM 제조 이후의 적층제조된 제품의 형상을 온, 오프라인에서 실시간으로 측정하면서 CNC 공작기계에 의한 하이브리드 적층 가공(hybrid metal additive manufacturing)하거나[53-56] HIP 열처리, 코팅 등을 비롯한 후처리(post-processing of AM)에 의한 AM 제조품의 단점을 보완하고 추가적인 성능개선의 필요성도 점차 증가하고 있으며, 이에 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다.

Ti-6Al-4V 재료에 대한 X – ray tomography 관찰에 의하면 [41] 통상 단조재(forged product)의 경우는 재료 내부에 20μm 정도의 구멍이, SLM 적층재는 200μm 정도의 구멍이 존재한다고 알려져 있다. 이렇게 생성된 구멍은 이후의 열처리 과정(800도와 1050도에서 2시간) 에서 구멍크기 분포의 변화는 보이지 않으나 후속 HIP 처리(100MPa와 920도에서 2시간)를 하면 22μm 이상의 큰 보이드가 획기적으로 감소한다. AM 공정에서 생성된 이 대형 보이드는 SLM 적층재의 피로성능을 떨어뜨리기 때문에 피로성능을 향상시키기 위해서는 제조공정의 최적화가 요구된다.

SLM 적층 제조 공정으로 만들어진 Ti-6Al-4V 시편의 피로 특성은 단조재(wrought material)에 비해 피로수명이 현저히 낮다고 보고되어 있다. [44] Ti-6Al-4V SLM 적층재의 피로 성능의 감소는 분말 분포의 불균일성, 미세 구조, 재료 내부의 구멍 크기와 형상, 가공재 대비 거친 표면 마감(duller finish) 및 잔류 응력과 같은 다양한 원인에 기인한다. 통상 적층재에서 발견되는 거친 표면은 용접 트랙, 녹지 않은 분말 입자 돌출 또는 분출된 용융 방울 등에 기인한다. 또한 적층공정에서 빠른 냉각속도와 방향성 응고로 인해 주조된 것과는 다른 구조, (길쭉한) 미세 조직을 갖는 이방성 미세구조 및 3차원 다중 스케일 아키텍처를 가지므로 적층재는 시편 제작 방향에 따라 기계적 물성 및 피로 성능에서 높은 이방성이 존재한다.

AM 적층재는 이와 같이 기존의 주조재 등 통상 처리된 재료와는 다른 미세 구조 및 표면 구조 등을 가지므로 기계적 거동은 Fig.9에 나타낸 것과 같이 통상적으로 처리된 재료와는 크게 다를 수 있다.[42] Fig.9에서 점선으로 나타낸 것은 종래의 방법으로 제작된 것에 대한 데이터이다.

Fig.9 Materials property space for room temperature yield strength vs elongation of additively manufactured alloys and conventionally manufactured alloys (dashed lines)[42]

한편 적층공정에서의 빠른 냉각속도로 인해 적층재는 비교적 큰 압축 잔류응력을 가지며 열 어닐링 처리된 경우에 응력이 부분적으로 완화된다고 알려져 있다.[43]

Fig.10은 다양한 문헌들로부터 얻은 AM Ti-6Al-4V 적층재에 대해서 응력비 R ≈ 0 및 R = -1에서 구한 단축 피로 성능 선도이다.[45] 검은색 기호는 열처리가 없는 원 시편, 녹색 기호는 열처리가 없고 및 가공된 시편, 노란색 기호는 열처리한 원 시편, 빨간색 기호는 열처리한 가공된 (/EDM/샷피닝/샌드 블라스트) 시편, 보라색 기호는 HIP 처리한 경우를 나타낸다.

Fig.10 Uniaxial fatigue performance of AM Ti-6Al-4V specimens manufactured via the laser PBF process and tested at R ≈ 0 and R = -1 [45]

그림으로부터 레이저 와이어 피드 DED 및 레이저 PBF 공정은 열처리 후에는 기존의 단조 제품의 피로특성을 능가하고, e-빔 PBF는 HIP(Hot Isostatic Press) 처리를 하면 전통적인 단조 제품의 피로특성을 능가하는 것을 알 수 있다.

Fig.11은 후처리에 따른 Ti-6Al-4V 적층재의 피로 크랙 성장(fatigue crack growth, FCG) 거동을 나타낸다.[45] 여기서 검은색 기호는 전통적으로 제조된 Ti-6Al-4V의 FCG를, 녹색/적색 산란밴드는 열처리되지 않은/열처리된 레이저 PBF 시편의 FCG 를, 노란색/빨간색 원은 열처리/열처리된 e-빔 PBF 시편에 대한 FCG 를, 노란색/빨간색 삼각형은 열처리되지 않은/열처리된 분말 공급 DED 시편의 FCG 를 나타낸다.

Fig.11 Fatigue crack growth data of traditionally manufactured Ti-6Al-4V specimens and specimens fabricated by laser PBF, e-beam PBF and powder-feed DED AM process [45]

Fig,12는 적층된 그대로의 재료와 후가공한 후 HIP 처리된 재료의 피로 성능 선도이다. 이들 결과로부터 잘 열처리된 AM Ti-6Al-4V의 피로크랙 성장 거동은 전통적으로 제조된 Ti-6Al-4V 재료와 유사하다는 것을 알 수 있다.

Fig.12 Fatigue behavior of the HIPed material with the machined surface compared with as-built surface and reference material [46]

적층제조 기술의 경우 Fig.4(b)에 나타낸 것같이 아직까지는 고부가가치의 다품종 소량생산에 유리하다는 기술의 특성상 항공우주 산업[47], 자동차 산업[48]이나 전자산업[49]에서 가장 많은 상용화 기술이 개발되고 있다. (Fig.13) 이러한 고부가 가치 산업에서는 적층제조로 제조된 제품의 성능 향상과 함께 안전성과 신뢰성 평가 문제가 무엇보다도 중요하다.

Fig.13 Applications of AM to (a) aerospace [47] (b) automotive [48] (c) electronic industries [49].

미국의 제너럴 일렉트릭(General Electric, GE) 사의 경우에는 기존에 복수개의 주조 부품의 조립으로 제조되었던 가스터빈 부품과 항공기 부품을 금속 적층제조 기술을 이용하여 하나의 부품으로 제조하고 있다. [50] 항공기 부품의 경우 미국 연방 항공국(Federal Aviation Administration, FAA)과 협력하여 항공기 엔진에 탑재된 부품의 소재제조 방법에서부터 부품 제조공정까지 관련된 기술 및 프로세스에 대해 안전성 검증을 거쳐 제작하고 있다. 국내의 경우에는 아직까지 적층제조로 제조된 제품의 안전성 및 신뢰성 평가가 가능한 공인된 기관이 없으며, 분야별 신뢰성 평가 프로세스 또한 마련되어 있지 않다.

AM 기술의 산업적 저변 확대를 위해서는 AM 제품이 기존 제품 대비 동등 이상의 품질 확보 뿐아니라 AM 제품에 대한 신뢰성 평가 절차 및 인증 기준의 마련이 시급하다.

적층제조의 특성이 고려된 기능성 금속 분말 소재 개발과 함께 이상에서 열거한 적층제조분야의 다양한 요소기술들은 적층제조기술의 장점을 극대화하고, 제조공정에서의 효율성을 향상시켜 산업적 부가가치의 향상에 기여가 가능하리라 판단된다.

5. 결론

본 논고에서는 적층 제조기술의 주요 방식별 정의 및 적용분야에 대해 설명하였다.

또한 그 중에서도 금속적층제조 기술을 중심으로 최근 주요 연구 동향 및 요소기술들에 대해 설명하였다. 금속적층제조 기술은 2013년부터 2022년까지 산업 적으로 급격히 성장하였으며, 최근 들어서는 상대적으로 다소 완만한 성장세를 보이고 있다. 이는 아직까지 종래의 제조 기술들과 비교할 때 산업 적으로 부가가치가 낮은 절삭가공을 포함한 대량 생산에 적용되던 제조기술들과 비교하여 비용의 증가와 출력물의 신뢰성 확보와 같은 문제들이 해결되지 않았기 때문이다.

국내의 경우에는 아직까지 적층제조로 제조된 제품의 안전성 및 신뢰성 평가가 가능한 공인된 기관이 없으며, 분야별 신뢰성 평가 프로세스 또한 마련되어 있지 않다.

AM 기술의 산업적 저변 확대를 위해서는 AM 제품이 기존 제품 대비 동등 이상의 품질 확보 뿐아니라 AM 제품에 대한 신뢰성 평가 절차 및 인증 기준의 마련이 시급하다.

한편 적층제조의 특성이 고려된 기능성 금속 분말 소재 개발과 함께 이상에서 열거한 적층제조분야의 다양한 요소기술들은 적층제조기술의 장점을 극대화 하고, 제조공정에서의 효율성을 향상시켜 산업적 부가가치의 향상에 기여가 가능하리라 판단된다.

또한, 소재, 장비, 부품, 특화설계와 같은 응용 기술 포함한 다양한 산업분야에서 이미 개발되어 활용되고 있는 기술들을 적층제조 산업에 융.복합하면 산업적 시너지 효과(synergy effect) 발생을 통해 적층제조 산업의 산업적 저변확대에 기여할 것으로 판단된다. [50~56]

본 해설은 적층제조 분야의 관련 산업동향과 주요 요소 기술들의 연구동향을 분석하는데 활용할 수 있을 것이다

후기

본 연구는 한국생산기술연구원 기관주요사업(KITECH EO-21-0009)와 중소벤처기업부의 중소기업 상용화기술개발 구매조건부신기술개발 구매연계형사업(S2860926) 그리고 경북대학교 BK21 사업(4199990314305)으로 수행된 연구 결과이며, 지원에 감사드립니다.