분말 소재보다 5배 빠르게, 대형 부품도 제작 가능한 복합시스템 구현

한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 전기 불꽃 ‘아크(Arc)’와 와이어(Wire)를 활용한 금속 3D프린팅 기술을 개발하고 가공이 어렵다고 알려진 ‘타이타늄’ 부품 공정에 대한 최적화를 이뤄냈다.

타이타늄 부품은 강철만큼 강하지만 무게는 그 절반 수준으로 가볍고 녹슬지 않으며 열을 잘 견디는 특성이 있어 우주항공, 에너지, 플랜트, 국방산업의 차세대 부품소재로 각광받고 있다.

하지만 대표적인 난삭(難削)재로 손꼽힐 만큼 단단해 가공이 어렵고, 고온에서 산화되기 때문에 용접도 곤란하다는 단점이 있다.

그 대안으로 최근 금속 3D프린팅을 활용한 가공방식이 떠오르고 있지만, 분말 소재와 열원에 들어가는 비용이 상당하고 시간당 900g 정도 밖에 적층하지 못해 생산성이 떨어지는 문제점이 있었다.

생기원 접합적층연구부문 감동혁 박사 연구팀은 이 같은 문제점을 해결하기 위하여 기존 레이저 대신 아크를 열원으로 사용하고 분말 소재를 와이어로 대체한 차세대 금속 3D프린팅 기술을 개발했다.

이 기술에 사용되는 아크 열원은 레이저 장비 가격의 10분의1 수준이라 구축비용이 매우 저렴하고 대형부품 제작에도 유리하다는 장점이 있다.

또한 분말 대신 와이어를 녹여 적층하기 때문에 소재 가격이 80% 가량 저렴하고, 재료의 낭비도 65% 줄일 수 있을 뿐만 아니라 적층속도까지 5배 가량 향상된다.

그런데 이 기술은 일반 금속소재를 적층할 때 직류를 전원으로 쓰고 소재를 열원과 다른 각도에서 쌓는 방식을 주로 활용하는데, 티타늄 부품의 경우 적층 품질 저하와 시스템 자동화의 어려움이 발생했다.

타이타늄에는 열전자를 방출하는 고유의 특성이 있어 와이어를 녹일 때 직류를 사용하면 불안정한 플라즈마가 발생하기 때문이다.

이 경우 열이 제대로 전달되지 않아 소재가 주변으로 튀거나 불균일하게 쌓이면서 기포들이 생겨 불량으로 이어지게 된다.

연구팀은 시간이 흐름에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변하는 교류 전원 기반의 단락이행 기술과 헬륨가스 환경 조성 공정을 독자 개발함으로써 타이타늄 부품 공정문제까지 해결해냈다.

먼저 교류 전원 기반 단락이행 기술을 활용하면, 아크의 극성을 바꾸면서 전압은 낮추고 전류는 감소시킬 수 있다. 이 때 열원과 와이어를 같은 축에 두고 소재를 녹이면, 튀는 현상 없이 깨끗하고 균일하게 쌓는 것이 가능해진다.

또한 헬륨가스 환경을 조성하여 타이타늄의 산화를 방지하는 가공방식도 개발했는데, 이 때 불안정한 플라즈마가 생성되지 않아 생산성과 품질이 향상되게 된다.

나아가, 연구팀은 복잡한 모양의 제품을 정밀하게 제작하기 어려운 아크 와이어 적층 방식의 또 다른 단점을 극복하기 위해 적층과 후가공, 진단이 한 번에 이뤄지는 복합시스템을 개발 중이다.

특히 적층 모니터링 및 인공지능 품질예측 기술이 포함되어 있어 온도, 형상 등의 공정변수를 실시간 제어가 가능하고, 이를 통해 복잡한 형상도 고품질로 생산할 수 있게 됐다.

감동혁 박사는 “금속 3D프린팅 시스템의 고속화, 고품질화, 대면적화를 구현할 수 있는 원천기술”이라며, “티타늄 부품 수요가 많은 국방 부품 경량화를 시작으로 에너지와 화학 플랜트로 적용분야를 넓혀 향후 우주항공 산업까지 확대할 계획”이라고 말했다.

한편 이번 성과는 생기원 대표기술 ‘키테크(Key-Tech)’ 성과 중 하나로, 기관 주요사업의 지원을 받았다.