적층 제조 성공을 위한 4가지 맞춤형 소재

적층 제조가 지속적으로 성장함에 따라 기업들과 연구자들은 다양한 하위 기술, 애드온, 출력 최적화 수단을 개발해 왔습니다. 하지만 최적화된 객체를 얻기 위한 또 다른 방법은 사용되는 소재를 최적화하는 것입니다. 이는 3D 프린팅을 위해 제작된 다양한 소재의 등장을 이끌었으며, 모두 정밀한 제어를 통해 이상적인 특성을 나타냅니다.

이러한 소재 중 일부는 3D 프린팅을 위해 매우 구체적으로 설계되었거나 3D 프린팅과 함께 개발되어 기술에 새롭고 참신한 특성과 기능을 부여합니다. 여기 가장 유망한 소재들을 소개합니다:

스칼말로이 (Scalmalloy)

사진 출처: 빔러(Beamler)

3D 프린팅을 위해 특별히 개발된 최초의 독창적 소재로 알려진 이 합금은 스칸듐(Sc), 알루미늄(Al), 마그네슘(M)이 단일 합금으로 융합된 것입니다. 이 소재는 에어버스 그룹의 자회사인 APWorks에 의해 원래 개발되고 특허되었습니다. 금속 프린팅 소재로서 스칼듐의 존재로 인한 향상된 강도 같은 독특한 특징을 보입니다.

강도 면에서 전통적인 알루미늄과 그 파생 합금들을 능가할 수 있습니다. 티타늄보다 더 강하면서도 경량이고 내식성입니다. 물론 스칼듐이 희귀 금속이면서 광석에서 추출하는 것도 비싸기 때문에 소재 제작 비용이 비쌀 수 있습니다. 스칼듐 가격은 킬로그램당 미화 4,000~20,000달러 사이에서 변동하며, 주요 채굴지는 중국과 러시아입니다.

스칼말로이는 고내구성, 장수명 부품에 가장 유용합니다. 이 때문에 자동차 산업과 로보틱스에서 인기를 얻고 있으며, 종종 열교환기의 일부로 사용됩니다. 예상했듯 스칼말로이는 그 기원 산업인 항공우주에서도 중추적인 역할을 합니다.

뉴젠 SLM 소재 (NewGen SLM Materials)

사진 출처: TU 그라츠

이 금속은 오스트리아의 TU 그라츠에서 실리콘 나이트라이드(질화규소)를 블렌딩해 금속 AM 전용 스테인리스강을 개발하며 탄생했습니다. 뉴젠 SLM 소재로 불리는 이들은 형성 공정 중 더 제어된 반응을 보여 표면 조도가 개선되고 서포트 구조의 필요성이 최소화됩니다. 316L 스테인리스강은 전 세계 여러 산업에서 가장 흔히 쓰이는 소재 중 하나이며, 뉴젠 버전은 선택적 레이저 용융(SLM) 프린팅을 위해 특별히 개선된 특성을 보입니다.

연구자들은 여러 블렌드로 수정된 스테인리스강 혼합물의 다양한 버전을 기계적 특성과 기공률 측면에서 테스트했습니다. 그 결과 소결 시 왜곡이 실리콘 나이트라이드와 보론의 엄격한 제어를 통해 감소할 수 있다는 결론에 도달했습니다. 이들은 "Si3N4 첨가에 의한 AISI 316L + B 소결체의 치수 안정성 및 기계적 특성 개선"이라는 학술 논문에서 이러한 결과를 발표했습니다.

보라이드는 소결체의 밀도를 높이지만 철 기반 소재와는 잘 융합되지 않습니다. 그 결과 입자 주변에 원치 않는 층이 형성될 수 있습니다. 실리콘 나이트라이드는 이 요소를 완화해 더 나은 표면 마감을 이끕니다. 연구자들은 금속 분말을 더 나은 기계적 및 최종 사용 특성을 위해 수정했을 뿐만 아니라, 뉴젠 SLM 소재가 더 적은 서포트 구조를 필요로 하게 만들었습니다. 이를 통해 수정된 스테인리스강이 기존 금속 프린트보다 더 가벼워질 수 있습니다.

현재 연구자들은 이 특정 소재의 상용화를 진행 중입니다. 유사한 방식으로 혜택을 볼 수 있는 다른 소재들을 테스트하기 위해 이 연구 라인을 강화하고 있습니다. 그들의 작업은 주목받았고, 스핀오프 펠로우십 프로그램과 협력해 정식 스타트업을 설립하기 위해 노력 중입니다.

3D 프린팅 고강도 알루미늄 합금

https://www.youtube.com/watch?v=8YwlenA4bdg

HRL 연구소에서 발명된 이 특정 알루미늄 변종은 최근 상용화되어 알루미늄 협회에 등록되었습니다. 적층 제조 고강도 알루미늄은 알루미늄 협회가 이러한 합금을 최초로 등록한 사례로, 알루미늄 분말에는 등록 번호 7A77.50이, 프린팅된 합금 자체에는 7A77.60L 번호가 부여되었습니다.

이 소재는 2019년 2월 협회의 새로운 적층 합금 등록 시스템의 직접적인 결과로, 적층 제조 능력으로 인해 다양한 새로운 소재가 등장한 데 따른 것이었습니다. 이는 프린팅 가능한 최초의 합금이었습니다.

화학적으로 이 합금은 HRL의 나노입자 기능화 기술을 사용해 개발되었습니다. 이 특정 소재는 지르코늄 기반 나노입자를 사용하지만, 이 소재 생산 방식의 진정한 이점은 종종 프린팅 불가능하다고 여겨지는 다양한 다른 금속과 합금에 적용될 수 있다는 점입니다. 결과적으로 HRL은 다른 새로운 소재들을 3D 프린팅 세계로 가져올 다양한 방법들도 모색하고 있습니다.

결정학, 메타머티리얼 & 세계에서 가장 단단한 플라스틱 구조

사진 출처 ETH 취리히/MIT

이전 예시들이 보여주듯 새로운 소재 배열이 항상 새로운 소재를 발견하거나 화학적 조성을 변경해 프린팅 가능하게 만드는 것은 아닙니다. 때로는 기존 소재를 사용하는 새로운 방식이 놀라운 결과를 제공하기도 합니다. 이는 플라스틱을 나노 스케일에서 재배열해 흥미로운 결과를 내는 다양한 소재 구조의 경우였습니다.

MIT와 ETH 취리히의 공동 프로젝트가 한 예입니다. 연구자들은 플라스틱의 미세 구조 배열을 조정해 가능한 최고 강성-중량 비율을 가진 소재를 만들었습니다. 그 결과 물리학이 허용하는 이론적 한계에 매우 가깝게, 매우 단단하면서도 상대적으로 낮은 무게로 이 강성을 균형 잡은 소재가 탄생했습니다. 본질적으로 그들은 미세 구조 배열 방식을 조정하는 것만으로 가능한 가장 단단한 소재를 개발했습니다.

복잡한 트러스, 거들, 아치 패턴을 사용해 연구자들은 강도와 내구성을 극대화했습니다.

마찬가지로 셰필드 대학과 임페리얼 칼리지 연구자들은 프린트 내 새로운 미세 구조를 사용해 내구성을 개선하고, 합금을 프린팅하는 새로운 방법을 만들기를 희망했습니다. 그들이 결정학적 메타머티리얼을 사용한 작업은 컴퓨터 원자 모델링을 사용해 이전에 본 적 없는 이러한 구조를 만들었습니다. 그들이 설명한 이 결정 구조들은 입자 경계 없이 연속적이고 끊김 없는 프린트를 만들어냅니다. 이는 최종 프린트에 더 나은 손상 허용도, 강도, 강인함을 부여합니다.

이러한 소재들은 노드와 스트럿의 주기적 배열을 가지며, 기존 고체에서는 발생하지 않는 특성의 조합을 나타내면서 경량입니다. 결정질 소재에서 발견되는 경화 메커니즘을 활용해 견고하고 손상에 강한 소재를 개발함으로써, 절삭 제조로는 절대 만들 수 없는 프린팅 가능 소재를 창조했습니다.

비슷한 아이디어가 4D 프린팅 분야에도 스며들어 있습니다. 거기서 미세 구조는 너무 섬세하게 균형을 이루어 평범한 소재를 다양한 배열로 로봇이나 기능성 아이템으로 변화시킵니다. 3D 프린팅은 종종 이러한 세세한 디테일을 설계된 목적에 맞게 조정하는 능력을 제공하고, 제조와 연구의 세계에서 새로운 형태의 창조를 장려합니다.