첨단 3D 프린팅을 위한 금속 분말 소재 Top 5

이 글에서는 금속 3D 프린팅용 금속 분말 5가지를 소개합니다. 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 스테인리스강, 고온 합금, 티타늄 합금입니다.

3D 프린팅 기술이란?

3D 프린팅은 쾌속 조형 기술의 일종으로, 디지털 모델 파일을 기반으로 결합성 소재(플라스틱 또는 금속 분말 등)를 층층이 쌓아 3차원 입체 모델을 완성하는 기술입니다.

3D 프린팅 기술의 응용

3D 프린팅은 디지털 기술 소재 프린터를 주로 사용합니다. 금형 제작, 산업 디자인 등 분야에서 모델 제작에 쓰이며, 기술 발전과 성숙에 따라 일부 제품이나 부품 직접 제조에도 점차 활용됩니다. 신발, 산업 디자인, 주얼리, 의료, 자동차, 항공우주, 교육, 건축, 토목 등 다양한 분야에서 역할을 하고 있습니다.

금속 3D 프린팅 개요

최근 금속 3D 프린팅은 미래 제조 산업의 주된 발전 방향으로 여겨지며 비금속 3D 프린팅보다 발전 속도가 훨씬 빠릅니다. 금속 프린팅의 소재 기반인 금속 분말 소재도 3D 프린팅 기술 개발의 중요한 돌파구입니다. 금속 분말 소재 종류 연구로는 현재 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 초내열 합금, 스테인리스강 5가지가 있습니다.

1. 티타늄 합금

고강도, 고열강도, 내식성, 저온 특성, 높은 화학적 활성 장점으로 스포츠 용품, 화학, 원자력, 의료기기, 항공우주 등 분야에 널리 쓰입니다. 많은 국가가 티타늄 합금 소재 중요성을 인식하고 있습니다.

티타늄 합금은 항공우주 산업의 새로운 중요 구조 소재입니다. 주로 항공기 엔진 압축기 부품, 로켓·미사일·고속기 구조 부품 제작에 쓰입니다.

전통 단조·주조로 만든 티타늄 합금 부품은 첨단 분야에 널리 쓰여 왔습니다.

절삭 가공 시 변형 계수가 작고 절삭 온도가 높으며 공구 마모가 쉽고 단위 면적당 절삭력이 큽니다. 내마모성과 가공성이 나빠 티타늄 합금 가공이 매우 어렵고 공정이 복잡합니다. 열간 가공 시 수소, 산소, 질소, 탄소 등 불순물을 쉽게 흡수합니다.

따라서 전통 단조·주조로 티타늄 합금 부품을 생산하면 비용이 높고 소재 이용률이 낮으며 가공이 어렵고 공정이 복잡합니다. 이러한 어려움이 티타늄 합금 보급을 저해해 왔습니다.

사회 발전에 따라 금속 3D 프린팅 기술로 위 문제를 해결할 수 있게 되어 최근 티타늄 합금 부품을 직접 제조하는 신기술로 부상했습니다.

2. 알루미늄 합금

비강도 우수, 경량, 유동성 좋음, 금형 충진 능력 강함, 내식성 양호, 저융점, 주조성·소성 가공성 우수 등 탁월한 물성으로 항공우주, 해양, 화학, 금속 포장, 건설, 전자기계, 생활용품 산업에 널리 쓰입니다.

하지만 선택적 레이저 용융(SLM)에서 알루미늄 합금 고유 특성으로 제조가 더 어렵습니다. 현재 SLM에서 산화, 잔류 응력, 기공 결함, 밀도 문제 등이 남아 있습니다.

3. 마그네슘 합금

저밀도, 양호한 방열, 고강도, 큰 탄성 계수, 좋은 진동 흡수, 알루미늄 합금보다 큰 충격 하중 용량, 유기물·알칼리 내식성 양호가 특징입니다. 항공, 우주, 수송, 화학, 로켓 등 분야에 주로 쓰이며 많은 분야에서 강철과 알루미늄 합금 대체 잠재력을 가집니다.

선택적 레이저 용융에서 성형된 마그네슘 합금은 주조품보다 경도와 강도가 더 높습니다.

4. 스테인리스강

본래 내식성이 좋아 고온에서도 우수한 물성·기계적 성질을 유지합니다. 분말 성형성이 좋고 제조 공정이 단순하며 저비용입니다. 따라서 3D 프린팅 분야에서도 널리 쓰입니다.

현재 스테인리스강 선택적 레이저 용융 연구는 강도 향상과 기공률 저감에 집중돼 있습니다.

5. 고온 합금

철, 니켈, 코발트 기반으로 600°C 이상 고온에서 일정 응력 하에 장시간 작동 가능한 금속 소재군입니다. 우수한 고온 강도, 산화 저항, 열 부식 저항, 피로 특성, 파괴 인성 등을 가집니다. 항공우주, 에너지 분야에 주로 쓰입니다.

고온 합금의 가공 표면 무결성은 성능에 매우 중요한 역할을 합니다. 하지만 고온 합금은 대표적인 난삭재로 가공 시 가공 표면 품질 저하, 공구 파손 심각 등이 빈발합니다. 미세 강화 물질의 고경도, 심한 가공 경화, 높은 전단 응력 저항, 낮은 열전도율, 절삭 구역의 높은 절삭력과 온도 탓입니다.

사회 발전에 따라 3D 프린팅 기술이 고온 합금 성형 기술 병목 해결의 새로운 방법으로 부상했습니다.

결론

금속 분말 3D 프린팅 기술은 일정한 성과를 거두었으나 인쇄 소재 한계가 기술 발전에 영향을 줍니다. 현재 산업용으로 적합한 3D 프린팅 금속 소재가 많지만, 전문 금속 분말 소재만이 생산 요건을 충족합니다.

3D 프린팅 금속 소재 개발에서는 기존 소재 기반으로 구조-물성 관계 연구를 강화하고, 소재 특성에 맞춰 공정 파라미터 최적화, 인쇄 속도 향상, 기공률·산소 함량 저감, 표면 품질 개선이 필요합니다. 동시에 3D 프린팅에 적합한 신소재 개발도 병행해야 합니다.