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3D 프린딩의 금속 소재 분야 동향

글쓴이 : Riushop 날짜 : 2018-12-03 (월) 10:27 조회 : 28

3D 프린팅의 금속 소재 분야 동향

 

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글로벌 3D 프린팅 금속 시장은 2014년도에 미화 1억 5620만 달러였으며, 2015년부터 2020년까지 5년간 연평균 31.5%의 성장률을 보이며 미화 7억 7680만 달러에 이를 것으로 전망했다(Markets and Merkets 자료).주요 금속 소재로는 티타늄합금(titanium alloys), 니켈(nickel), 인코넬(inconel), 스테인리스강(stainless steel), 알루미늄, 코발트 크롬(cobalt chrome), 구리, 금, 은 등이 있다.
항공기체 및 엔진 부품 제조에는 Ti-6Al-4V와 티타늄합금이 주로 사용된다. 내식성과 강도가 높아 중공업 분야에 주로 이용되며, 티타늄합금의 경우 무게가 가볍고 열에 강하므로 항공우주산업에 주로 이용되고 있다.
최근 개발이 진행되고 있는 3D프린팅의 소재는 금속 분야에 집중되고 있으며, 주로 티타늄합금과 초내열합금 등과 같은 고부가가치 소재가 주로 연구되고 있다. 한 예로 티타늄으로 항공용 부품인 Bracket 제조시 기존 가공법(절삭)으로는 손실되는 원료가 많아 원가상승의 주요원인이 되지만, 3D프린팅을 적용시 버려지는 원료를 약 1/30로 줄일 수 있다. 이에 따라 저비용으로 고품질의 티타늄 분말을 제조하는 기술개발이 지속적으로 요구되고 있다.

 

금속소재 주요 특징

 

금속소재의 특성상 높은 가격, 가공방법, 소결온도 및 폭발 위험성 등으로 인해 산업용으로 주로 활용되어 개인 용도로의 확산은 상대적으로 느릴 것으로 예상된다. 수지 소재 시장은 이미 미국, 유럽 등 선진국들의 주도하에 선점되어 있으며, 가격 또한 개인용으로 사용될 수 있는 수준으로 내려왔다.

 

<3D 프린팅 주요 금속소재>

 

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자료 : 분말야금기술회보 제5권 제1호, “3D 금속 프린팅기술의 국내외 현황과 과제”

 

특히 3D프린팅에 원료로 사용되는 금속소재는 적절한 유동성, 낮은 열전도성, 결합력 등의 일정 물성치를 충족시켜야 하는 바, 3D프린팅용 금속소재는 특수성이 있어 개발에 난이도가 있다.
적층 제어에 적절한 유동성을 갖추기 위해 일정 크기의 입도분포와 형상의 분말이어야 하며, 주변으로 열이 전달되지 않기 위해 열전도성이 낮아야 한다. 알루미늄, 텅스텐 등은 열전도성이 높아 고온의 열을 받으면 주변의 금속분말을 같이 녹여 제어가 어려운 편이다.
3D프린터용 금속분말은 PBF 방식은 구형을 사용하며 제조방식은 그림과 같이 Atomisation으로 제조한다. 제조회사마다 차이가 있지만 레이저를 사용하는 ConceptLaser 및 EOS의 경우 35-50㎛를 전자빔을 사용하는 Arcam社는 50-100㎛, MIM을 대체할 초소형부품제작용은 1-5㎛를 사용하는 것으로 알려져 있다.
구상화분말을 제조하는 업체로는 Sandvik, Hoganas, TLS Technik 등이 있으며, 3D프린터에 적합한 분말기준은 입도분포, 유동도, 65% 이상의 tap density, 등방성을 가지는 미세구조, 낮은 산화물 등이 요구된다. 그러나 DED 방식은 굳이 구형의 분말을 사용하지 않고 일반 불규칙적인 형상을 사용해도 무방하다.
분말제조기술이 난이도가 높고, 각 합금마다 적층 조건이 다르기 때문에 3D 프린터에 사용될 수 있는 금속은 많지 않다. 현재 사용되는 금속은 티타늄 및 그 합금, 스테인레스 합금류, 알루미늄 합금, Fe-Cr-Ni 강, 마르에이징강, Inconel 초내열합금, 귀금속 등에 제한적으로 사용되고 있다.

 

금속 소재 시장 전망

 

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3D프린터에 사용할 수 있는 금속은 많지 않다. 그 이유는 분말제조기술이 난이도가 높고 각 합금마다 적층 조건이 다르기 때문이다. 현재 사용되는 금속은 순타이타늄 및 그 합금, 스테인레스 합금류, 알루미늄합금, Fe-Cr-Ni 강, 마르에이징강, Inconel 초내열합금, 귀금속 등에 제한적으로 사용되고 있다.
금속 프린팅 제품의 응용분야는 크게 금형, 치과 및 의료분야, 자동차, 우주항공, 전자기기 등으로 나눌 수 있다. 금형은 사출성형용 금형의 냉각채널에 널리 활용되고 있으며 그 시장 규모도 제일 큰 것으로 알려져 있다. 기존 CNC에 의한 금형의 경우 냉각속도가 차이가 나지만 3D프린터에 의해 제조된 냉각몰드의 경우 복잡한 냉각채널도 구현이 가능하여 냉각속도가 일정하고 싸이클 타임도 줄일 수 있다. 사용되는 소재는 주로 공구강이 사용되고 있으나 마르에이징강 및 스테인레스 스틸도 사용된다.
마레이징 강(Maraging Steel)은 시리즈 툴링(series tooling)에 사용되었다. EOS Maraging Steel MS1은 마르텐사이트(martensite) 강화가능 강철로서, 이 강철의 화학적 구조는 US classification 18% Ni Maraging 300, European 1.2709, German X3NiCoMoTi 18-9-5와 일치한다. 이러한 종류의 강철의 특징은 강도가 우수하고 높은 인성을 지닌다는 것이다. 물체들은 구축과정 이후 어렵지 않게 가공할 수 있으며, 또한 추후 50HRC 이상으로 강화될 수 있다. 이들은 또한 우수한 연마성을 지닌다. 이러한 종류의 강철들은 세리 사출 성형(serie injection moulding) 제품에 사용되며 알루미늄 압력 주조(aluminium die casting)와 같은 툴링 용도에도 쓰인다.
두 번째 시장은 의료분야이다. 3D프린팅은 이미 의료분야에서 사용되고 있는데, 주로 외과적, 진단적 보조기구들은 만들고 인공 신체부위와 의료제품, 조직엔지니어링, 의료 도구와 장비들의 디자인 등에 두루 쓰이고 있으며, 맞춤형 무릎 임플란트(implant)와 같은 의료제품이 더 만들어지고 있다. 무릎 임플란트(implant)는 직접금속계 레이저 소결공법(direct metal lasersintering, DMLS)에 의해 만들어 진다.
아래 임플란트는 생체적합 코발트크롬 합금으로 만들어 졌다. Stryker Orthopaedics (미국 미시건주에 있는 의료기술 업체)는 임플란트의 여러 부위를 하룻밤 새 자동으로 만들 수 있으며, 환자 개개인의 요구에 맞출 수 있다.
자동차분야는 3D프린팅의 사용량이 적지 아니하며, 전체 상업 3D프린팅 서비스의 약 20%를 소비하며 이는 소비재와 전자 분야 다음으로 많은 것으로 나타나고 있다. 현재, 응용 분야는 대형 3D프린터를 사용하여 제품 개발을 위한 고속 프로토타이핑에 국한되고 있지만, 점차 낮춰지는 가격과(개인용 3D프린터의 가격대는 수천달러 수준) 분야의 성숙해져 가는 성숙도(기계 제작, CAD 소프트웨어 개발자, 디자이너, 생산자, 수집기 사이트 & 유저)으로 보아 3D프린팅은 점차 주류로 자리 잡을 것으로 전망된다.
Objet Ltd.는 2012년 2월 12일부터 15일 기간 동안 샌디에이고에서 열린 Solid- Works World에서 StreeScooter의 자동차 대시보드를 실물크기의 3D프린터로 구현한 것을 선보였다. 미국에서 첫 선을 보인 이 대시보드는 환전 조립된 프로토 타입으로서 다중소재 프린팅 방식으로 만들어졌다. 이 다중 소재 중엔 ABS와 비슷한 Objet의 digital material도 있었으며, 디스플레이 스크린과 대시보드의 외관과 느낌, 기능을 모방하기 위해 다른 세부 사항들을 구현해냈다.
우주항공 분야는 Airbus, GE 등에서 활발하게 진행되고 있다. 터빈 브레이드, 연소기 부품, 각종 브라켓, 연료 노즐 등이 보고되고 있으며 주로 사용하는 소재는 Inconel 초내열합금 및 타이타늄 등이 주로 사용된다. 연료분사장치는 터빈 브레이드를 작동시키기 위한 연료공급을 담당하는 것으로 1300℃의 가혹한 조건에서 사용된다. 기존에는 일반적인 브레이징 및 용접 등 30여개의 공정을 거쳐 완성되는 부품인데 3D프린터로 제조하게 되면 공정이 대폭 축소되고 25%의 경량화 및 내구성이 4배 증가한다고 보고하고 있다.

 

본고는 [2018 일본 3D프린팅(적층 제조) 기술개발 전략과 시장전망] 보고서 일부를 요약, 정리한 것이다.


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