3D프린팅과소재<3D프린팅용 금속분말소재의 연구 및 개발동향_금속분말소재>201702

본글은 KIMS재료연구소의 학술지 [기계와재료]에 소개된 자료를 바탕으로 하고 있습니다.

                                                                                                                   유지훈,양상선,김용진,임태수 연구원

 

3D프린팅용 금속분말소재의 연구 및 개발 동향

 3D 프린팅 기술은 주/단조, 압출, 사출, 용접 등과 같은 기존의 성형가공 공정에 비해 복잡형상의 제조가 용이하고, 제조시간 및 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 수요자가 요구하는 맞춤형 부품의 소량 다품종 생산이 가능하므로 기존의 제조 산업패러다임을 바꿀 혁신적 기술로 급격하게 부상하고 있다. 그러나, 사용할 수 있는 재료가 제한적이고 느린 조형속도 등으로 인해 산업 적용에 많은 한계를 가지고 있다. 금속 3D 프린팅공정에 사용되고 있는 재료는 대부분 분말 형태로 적용되고 있으며, 가스아토마이징법으로 제조된 구형의 극미세 분말이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 금속분말은  3D프린팅 공정에 적합하도록 제조된 전용소재가 아니고 일반적인 분말야금(Powder Metallurgy)공정에 사용되고 있는 분말을 입도별로 분급하여 프린터 장비 업체에서 고가로 독점 공급하고 있는 실정이다. 특히 독점공급하는 분말 외에는 사용하지 못하도록 장비에 잠금 시스템을 적용하고 있어 다양한 부품의 적용이 이루어지지 못하고 있다. 더욱이 분말야금에 사용되는 금속분말은 산업적으로 널리 쓰이고 있는 기존의 합금소재와 달리, 2~3개의 기본적 합금성분만을 포함하고 있기 때문에 산업적으로 의미있는 다원계 합금성분의 분말 개발이 강력히 요구되고 있다. 한편, 3D 프린팅으로 적층된 조형체는 소재에 따라 물성이 다르기 때문에 이에 따른 후처리 공정의 개발이 필수적이다. HIP(Hot Isostatic Press)를 통한 2차 고밀도화 처리, 소재의 연성을 향상시키기 위한 열처리, 표면조도 및 부식방지를 위한 표면처리기술등이 3D 프린팅 공정에 맞도록 개발되어야 다양한 산업분야에서 부품의 적용이 가능하다. 특히 발전 플랜트나 우주항공 산업과 같은 부품의 신뢰성이 강조되는 산업분야에서는 소재, 조형공정, 후처리 등의 일련의 연계된 기술이 통합적으로 개발되는 것이 중요하다.

 

서론

 3D프린팅 기술은 분말, 액체, 와이어, 펠렛 등 다양한 형태의 물질을 한층 한층 쌓아올려 3차원 입체구조를 갖는 제품을 제조하는 기술로서(그림1), 기존의 제조가공 기술로서는 구현할 수 있는 복잡한 형상의 부품도 손쉽게 제조할 수 있어 최근 새로운 가공기술로 전 세계적 각광을 받고 있다. 3D 프린팅 기술은 기존의 주조, 단조, 용접, 압출 등과 같은 전통적인 가공기술에 비해 제품개발에 소요되는 시간을 획기적으로 단축시킬수 있을 뿐만 아니라, 절삭가공 시 발생하는 칩이 형성되지 않으므로 원료소재의 솔실을 저감할 수 있고, 소비자가 요구하는 형상 및 기능의 수요를 충족시킬 수 있어 기존 제조업의 패러다임을 바꿀 혁신적 기술로 인식되어 지고 있다.

특히 금속 3D프린팅 기술은 자동차, 우주, 항공, 해양선박 등과 같은 기존 주력산업에서부터 국방,바이오/의료, 전자기 등과 같은 첨단산업에 이르기까지 폭넓은 산업분야에 적용이 가능하여 산업적 파급효과가 매우 크기 때문에 최근에 해당 산업분야에서 금속 3D 프린팅 기술에 대한 연구가 초보적 수준에 불과하다. 왜냐하면 금속 3D프린팅 기술이 기존의 시세품 제작 수준에서 벗어나 산업적 부품으로의 적용을 위해서는 부품의 기계적 물성이 확보되어야 하는데, 아직까지는 조형체의 밀도나 기계적 물성이 산업 환경에 적용하기에는 많이 부족하기 때문이다. 뿐만 아니라 금속 3D 프린팅 장비는 기존 플라스틱 3D 프린팅 장비에 비해 가격이 매우 비싸고, 사용되는 소재를 장비업체에서 독점 공급하고 있어 소재 가격이 비싸고 소재의 종류도 매우 제한적인 관계로 많은 연구가 진행되지 못하고 있는 실정이다. 본 고에서는 금속 3D프린팅용 분말소재의 개발현황과 문제점을 알아보고 향후 금속 3D프린팅용 소재의 설계반안에 대해서 논의하고자 한다.

3D프린팅용 금속분말 소재

 금속 3D프린팅 공정에 사용되는 금속분말은 거의 대부분이 가스아토마이징(Gas Atomizing)방법으로 제조된 구형의 분말이 사용되고 있다. 구형 분말이 사용되는 이유는 구형분말은 다른 각형 또는 불규칙한 분말에 비해 유동성이 뛰어나기 때문으로 균일한 분말층의 도포나 토출을 위해서서는 유동성이 우수한 분말을 사용하는 것이 최종 조형체의 밀도나 기계적 물성을 높이는데 유리하다.

 현재 금속  3D프린팅 장비업체에서 공급하고 있는 금속분말 소재가 매우 비싼 가격에 공급되고 있는 이유는 사용되는 원소재 분말의 제조수율이 매우 낮기 때문이다. 일반적으로 PBF(Powder Bed Fusion)방식의 금속3D 프린팅에 사용되는 금속분말의 경우, 10~45미크론 크기의 구형의 분말이 사용되고 있는데, 가스아토마이징방법을 이용하여 분말을 제조할 경우, 평균 분말입도가 약 80미크론 크기인 10~200미크론 정도의 넓은 입도분포를 갖는 분말이 제조되는데, 이중에서 10~45미크론 크기의 분말은 전체 분말에 비해 약 10~15% 정도에 불과하기 때문에 3D프린팅에 사용되는 금속분말의 가격이 매우 높은 실정이다.

 한편 3D프린팅용 금속분말은 장비업체에서 독점적으로 공급하는것 외에도 스웨덴의 Hoeganaes,영국의 SanvikOsprey, 미국의 Carpenter 등에서도 3D프린팅용 금속분말을 시판하고 있다. 그러나 상기의 업체에서 판매하는 금속분말은 엄격하게 말하면 3D프린팅 전용 분말로 개발된 소재가 아니다.  기존 분말야금(Powder Metallurgy) 산업에 사용되는 금속분말을 제조.판매하는 업체로서, 그 중에 가스아토마이징방법으로 제조된 분말중 10~45미크론 분말을 공급하여 3D프린팅용 분말로 시판하고 있는 실정이다. 그러나 기존 분말야금의 성형.소결 공정과는 달리, 레이저에 의한 분말의 급속용해와 용탕의 급속냉각에 의해 형성되는 3D프린팅 조형체에는 조형체의 밀도 및 기계적 물성 향상을 위해 새로이 설계된 합금조성이 개발되어야 하는것이 필수적이다. 그러나 현재 대부분의 분말제조 업체에서는 이러한 3D 프린팅 전용으로 설계된 합금을 제조.판매하고 있지 않는 실적이다. 따라서 금속 3D프린팅 기술의 제조산업 적용 확대를 위해서는 3D 프린팅에 최적화된 전용소재의 개발이 반드시 선결되어야 하고, 전용 소재를 이용한 프린팅 공정개발은 물론, 후처리 및 열처리 공정도 함께 개발되어져야 할 필요가 있다.

 Wohlers Report에서 발표한 3D 프린팅용 소재 시장은 2012년 4.2억 달러에서 2019년 약 25억 달러로 크게 성장할 것으로 전망한 바 있다. 또한 연간 성장률은 약 30%로 매우 빠르게 확대될것으로 내다보고 있다. 그러나 대부분은 플라스틱이나 폴리머가 약 70% 이상을 차지하고 있으며,금속은 약 15%내외로 금속 3D프린팅용 소재시장은 아직 미미한 수준이다. 그러나 금속 3D 프린팅 기술의 중요성이 점점 증대되면서 금속 3D프린팅용 소재의 시장전망에 대한 자료가 속속 발표되고 있다. 그림3의 2015 Smartech Markets Publishing사에서 발표된 자료에 따르면, 2014년 3D프린팅용 금속분말소재 시장은 약2억 달러 수준에 불과하나, 2023년도 약 9억5천만달러 수준으로 크게 증가할 것으로 보고하고 있다. 소재별로 Co-Cr 합금, Ni 합금, Ti 합금, Fe 합금 순으로 이 네가지 합금소재가 거의 90% 이상의 시장을 점유하게 될 것으로 전망하고 있다.특히, Co, Ni, Ti과 같은 비철합금이 철계합금보다 높은 비율을 차지하고 있는데, 이는 에너지 및 발전산업 등에서의 내열 내마모 소재와 치과 및 정형 임플란트와 같은 의료용 부품의 적용이 크게 증가할 것을 의미하고 있다. 반면, 그림 3의 2015년 IDTechEx사의 자료를 보면 2014년 3D프린팅용 금속소재는 약 500톤 이하가 사용되었으나, 2025년에는 크게 증가하여 약 16000톤 정도가 소요될 것으로 예측하고 있다. 이중에서 50% 이상을 Ti합금소재가 차지하고 있는데, 이는 우주항공 산업분야에서 경량화를 위한 Ti 합금의 소재사용이 급격히 증가할 것을 의미한다. 3D프린팅의 적용산업 분야에 따라 각각 다른 전망치를 보고하고 있지만, 결론적으로 보면, 금속 3D프린팅용 분말소재 시장은 크게 증가하며, 우주항공, 에너지 및 발전 등과 같은 첨단 산업에서 그 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 전망하고 있다.

그림 4는 현재 3D프린팅 공정에 사용되고 있는 금속분말의 공정별 입도분포를 나타내고 있다. 그림에서와 같이 45미크론을 기준으로 그 이하 크기의 분말은 선택적 레이져용융(Selective Laser Melting ,SLM)을 기반으로 하는 PBF용 프린터에 많이 사용되고 있다. DED 방식에서 조대한 분말이 사용되는 이유는 조형시 분말토출 과정에서 미세한 분말입나는 챔버 내부 기체의 대류에 의해 분말이 비산되기 때문이다. 이러한 분말의 비산은 분말이 조형체의 원하는 위치에서 조형되지 않고 다른 부위에 붙음으로 인해 재료가 손실되거나 장비의 오작동을 야기할 수 있기 때문에 비교적 유동 에너지가 큰 조대한 분말을 사용하고 있는 것으로 알려져 있다.