FDM 3D 프린팅 금속 부품 성능 평가: 산업용 양산 가능성 검증

3D 프린팅이 시야에서 멀어진 듯했습니다. 소재 한계와 동일 제품 대량 생산 불가로 3D 프린팅은 부품 맞춤 가공에 더 적합하다고 여겨졌습니다.

하지만 3D 프린팅 기술 지속 업데이트로 산업 분야 부품 제조에서 더 많은 가능성이 열렸습니다. 특히 FDM 3D 프린팅 기술의 지속적 개선으로 이제는 금속 제품을 배치 생산으로 완료할 수 있게 되었습니다.

FDM 3D 프린팅이란?

FDM 금속 성형 기술은 금속 사출 성형(MIM) 기술 기반으로 개발되었습니다. MIM은 플라스틱 사출 성형 기술을 분말 야금 분야에 도입해 탄생한 신규 부품 가공 기술입니다.

금속 사출 성형 기본 공정: MIM용 금속 분말과 바인더 선정 → 적정 온도에서 분말과 바인더 균일 혼합·펠릿화 → 사출 성형으로 성형 블랭크 획득 → 탈지 처리 → 소결 치밀화로 최종 성형품 획득.

용융 적층 모델링 금속 3D 프린팅은 MIM 공정과 결합된 3D 프린팅 기술로 FDM과 유사합니다. FDM 플라스틱 성형과 달리 FDM 금속 성형 소재는 와이어(필라멘트) 형태입니다. 일반적인 SLM과 달리 이 금속 3D 프린팅은 성형 과정에서 레이저를 쓰지 않으며 분말도 쓰지 않습니다.

FDM 3D 프린팅이 금속 분말을 제품으로 만드는 과정

FDM 3D 프린팅은 위에서 언급한 MIM 방식과 유사하게 작동합니다.

1. 와이어 제조 (Brushed)

금속 분말(스테인리스강 등)과 바인더를 충분히 혼합해 인발(wire drawing)로 와이어를 만듭니다.

2. 프린팅 성형 (Printing and Forming)

FDM 장비 고온(300℃ 이상) 노즐로 와이어를 용융 분사해 적층 성형, 예비 금속 부품 획득. 금속 혼합물이 노즐을 쉽게 마모시키므로 노즐은 고강도·고내마모성 필요. 황동 노즐 사용 시 1롤 프린팅마다 새 노즐 필요.

3. 탈지 (Degreasing)

금속 부품 가열 탈지, 바인더 대부분 증발(이 단계에서 부품 수축).

4. 소결 (Sintering)

고온 소결로 잔여 바인더 완전 제거, 추가 수축 발생. 소결 금속 부품 크기는 갓 프린팅된 부품 대비 15~17% 수축(바인더 증발, 분말 간 간극 감소, 치밀화), 품질은 20% 감소.

2022년 제조 분야 FDM 3D 프린팅의 새로운 장점

소비자급·전문가급 FDM 장비 대비 산업용 FDM 장비는 이제 항온 챔버와 고온 노즐을 추가했고, 프린팅 챔버 온도가 300℃까지 도달합니다.

FDM 3D 프린터로 PEEK, PEKK, ULTEM, PEI 등 고성능 소재 프린팅 가능, 내고온·내식·고충격 소재 등 용단 요구와 대형·고효율 등 산업급 요건 충족.

FDM 기술과 MIM 공정 결합(Desktop Metal 솔루션 등)으로 금속 사출 소재 직접 프린팅 → 세척 → 소결 → 금속 부품 최종 생산.

주조나 금속 사출 성형이든 전통 기술·소재와 FDM 기술 결합으로 FDM 기술이 금속 부품 생산·가공에 활용 가능해졌고, 더 유연한 하드웨어와 낮은 비용이라는 장점을 가집니다.

따라서 3D 프린팅은 2년 전처럼 고강도 산업 생산 과제 수행이 불가능한 것이 아니라, 부품이나 제품 생산을 완전히 실현할 수 있습니다.