금속 3D 프린팅 생산 방식 비교: 로스트 왁스 주조 vs 직접 금속 레이저 소결(DMLS)

금속 합금 프로토타입 제작과 소량 양산 분야는 3D 프린팅 기술 덕분에 비약적으로 발전했습니다. 하지만 일부 전통 기법은 사라지지 않고 진화해 왔습니다.

그 대표 사례가 로스트 왁스 주조(Lost Wax Casting)입니다. 수천 년 역사의 이 기법은 원래 왁스 원형을 수작업으로 만들던 것에서, 왁스 금형으로 소량 양산이 가능해졌고, 마침내 폼2(Form 2) 같은 3D 레진 프린터와 캐스터블 레진(Castable Resin), 또는 FDM 프린터용 로스트 왁스 전용 소재(MoldLay)인 폴리캐스트(PolyCast) 등으로 혁신되었습니다. 폴리캐스트는 높은 정밀도와 우수한 표면 조도로 시장에 큰 반향을 일으켰습니다.

영상 1: 폴리캐스트를 이용한 로스트 왁스 주조 부품 제작. 출처: Polymaker

3D 프린팅 초기로 돌아가면, 거의 모든 가정용 프린터가 쓰는 저렴한 PLA로 원형을 출력해 모래·바인더 혼합물에 넣고 가열해 금형을 만드는 방식이 있었습니다.

수년 전(2015년), 이 기법이 아직 일반적이지 않을 때, 글로벌 엔지니어 커뮤니티 플랫폼 엔노모티브(ennomotive)는 한 고객의 의뢰로 항공우주용 티타늄 합금 프로토타입을 기존 금형 주조·사출 방식의 비용과 시간 부담 없이 더 빠르고 저렴하게 제작할 혁신적 방안을 커뮤니티 엔지니어들에게 요청했습니다.

당시 미국에서 공부한 가자 지구 출신 한 엔지니어가, 졸업 프로젝트로 PLA 3D 프린팅과 로스트 왁스 주조 결합 기법을 연구했던 경험을 살려 이 솔루션을 제안했습니다. 그는 이 기법의 장점을 꿰뚫고 있었습니다.

고객은 수개월과 수만 유로를 아껴주는 이 솔루션을 그 많은 엔지니어 중 아무도 제안하지 않았다는 사실에 의아해하며 물었습니다. "이렇게 만든 부품이 엄격한 항공 규격 기준을 충족합니까?" 대답은 단호했습니다. "네, 충족합니다. 이미 도입하는 곳도 있으며, 제작 업체와 연결해 드리면 운송 포함 3일 더 걸립니다."

당시 금속 3D 프린터(DMLS 등)는 소수 합금만 다룰 수 있었고, 표면 조도와 기계적 사양이 주조품(원심·진공 주조 등) 수준에 미치지 못했으며, 속도도 느리고 비쌌습니다.

하지만 기술은 계속 진화해 출력물의 기술적 특성, 비용, 사용 가능 합금 종류 모두 개선되었습니다. 그럼에도 로스트 왁스 기술은 여전히 건재하며 FDM 3D 프린팅 기반으로 계속 진화 중입니다. 그렇다면 DMLS 기술이 크게 발전한 지금, 엔노모티브 커뮤니티 엔지니어들이 다시 자문한다면 뭐라고 답할까요?

답은 "케이스 바이 케이스"입니다. 부품 형상, 기술·치수 요구사항, 소재 등에 따라 크게 달라지며, 엔지니어들이 "설계를 변경하라"거나 "소재를 바꿔라"(예: 해당 티타늄 합금 대신 요구 사양을 충족하는 레진으로 대체)고 권고할 수도 있습니다.

따라서 제조 기술 선택 시 고려할 여러 가이드라인이 존재하지만, 결국 이 기법들을 깊이 이해하는 설계 엔지니어의 전문적 안목이 품질/비용 최적 조합을 찾아냅니다.

• 현재 두 방식의 표면 조도는 매우 유사하며, 공정 품질과 소재에 따라 우열이 갈립니다. 예: 고품질 DMLS 프린터도 있지만, FDM용 필라멘트인 폴리캐스트로도 완전히 매끄러운 마감이 가능합니다.
• 치수 정밀도 역시 팽팽합니다. 다만 DMLS는 최종 부품 정밀도 ±0.1mm±0.3% 수준을 달성합니다.
• 크기 면에서 로스트 왁스는 대형 부품(예: 2m) 제작이 가능하나, DMLS는 보통 소형이며 추후 결합해 대형화합니다.
• 로스트 왁스의 강점: 원하는 소재를 제한 없이 선택 가능하나, DMLS 소재 라이브러리는 확대 중이나 아직 한정적입니다.
• 반면 DMLS는 더 복잡한 형상(내부 구조 등)과 얇은 벽 구현이 가능합니다. 로스트 왁스도 복잡한 형상이 가능하나 한계가 있습니다.
• DMLS는 여러 부품을 한 번에 통합 출력할 수 있습니다(과거엔 불가능).
• 하지만 속도와 비용이 산업계의 핵심 기준이라면, 현재로선 로스트 왁스가 유리해 항공우주 산업에서 여전히 널리 쓰입니다. 다만 DMLS의 급속한 발전으로 격차가 좁혀지며 산업 채택이 늘고 있습니다.

위 사례 부품처럼 형상이 지나치게 복잡하지 않고 특수 합금 소재인 소량 양산 건이라면, 지금도 로스트 왁스를 선택할 공산이 큽니다. 특히 이제는 폴리캐스트처럼 로스트 왁스 전용으로 개발된 FDM 필라멘트가 존재하니까요. 다만 이 글을 읽는 시점엔 판도가 또 바뀌어 있을지 모릅니다. 엔지니어 커뮤니티에 다시 묻을까요? 아니면 3D 프린팅 최신 동향을 계속 주시할까요?

소재와 기술 발전 속도가 너무나 빨라, 오늘 유효한 솔루션이 5년도 안 돼 구식이 됩니다. 적층 제조 기술의 광폭한 진화는 멈출 줄 모릅니다.

본 기사는 엔노모티브(ennomotive)와 협업해 작성되었습니다.