‘in-situ’로 나노입자 제어하는 타이타늄계 분말소재 원천기술 개발 성공
일체형 분말소재 제조기술로 별도 처리과정 없이 100% 소재 재사용 가능

한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 금속 3D프린팅 부품의 결함을 해결할 수 있는 차세대 타이타늄(Ti) 합금분말 제조기술을 개발했다.

타이타늄 합금분말을 사용한 3D프린팅 부품은 정밀한 설계 제어가 가능하고, 가벼우면서도 내구성이 강해 자동차, 항공우주, 의료용 임플란트 등 금속 3D프린팅 부품 소재의 52%를 차지하고 있다.

생기원 기능성소재부품그룹 박형기 수석연구원 연구팀은 나노 입자를 타이타늄 분말 내에 균일하게 분포하는 방식으로 소재 성능을 강화한 ‘차세대 금속 3D프린팅 분말소재’ 기술 기반을 확보했다고 밝혔다.

금속 3D프린팅 부품은 합금분말을 적층하고 레이저로 녹이면서 성형하는 과정을 거쳐 만들어지는데, 복잡한 형상의 부품도 바로 제조 가능해 시간과 비용을 단축할 수 있다.

반면 합금분말이 급속하게 응고되거나 열이 빠져나가면서 부품 내부에 기공, 크랙 등이 발생하는 단점이 있어 레이저 출력을 조절해 변수를 제어하는 방식으로 결함을 줄이는 연구가 진행돼 왔다.

박형기 수석연구원 연구팀은 레이저로 변수를 제어하는 연구방식에서 나아가 3D프린팅에 최적화된 차세대 복합소재 분말을 개발하는 전략으로 이전까지의 연구 방향을 바꿨다.

복합소재는 금속분말에 나노미터 크기의 미세한 세라믹 물질(나노입자)을 분산시켜 강도를 높인 소재로, 3D프린팅에 적용하면 응고되는 과정에서 분산된 나노입자 표면에 핵 생성이 활발해지면서 견고한 미세조직이 형성된다.

그런데 기존의 3D프린팅용 복합소재 분말은 금속분말 표면에 나노입자를 접착시키는 방식으로 만들기 때문에 입자가 균일하게 분포되지 않고, 분말 유동 과정 중 나노입자가 분리되어 재사용이 어려운 단점이 있었다.

박형기 수석연구원 연구팀은 이러한 한계를 3D프린팅 공정에 최적화된 소재 개발로 극복하고자 열역학 기반 시뮬레이션을 통해 타이타늄과 나노입자 조성을 선정했다.

이를 바탕으로 타이타늄-나노입자의 최적 조성과 비율을 선정하고, 나노입자를 타이타늄 분말 내부에 ‘in-situ’로 일체화하는 제조공정을 설계했다.

‘in-situ’는 ‘동시에’, ‘한 번에’의 뜻을 가진 실험기법으로, 연구팀은 ‘in-situ ’기법을 활용해 40~50나노미터(㎚) 크기의 나노입자를 티타늄 분말 내부에 분포시키는 제조기술 개발에 성공했다.

‘in-situ’로 합금한 분말은 이전의 ‘ex-situ’ 방식과 비교해 나노입자가 균일하게 분포되어 3D프린팅에서의 결함을 줄일 수 있고, 제조 과정에서 나노입자가 튕겨져 나가지 않아 별도 처리 과정 없이도 100% 재사용 가능하다.

박형기 수석연구원은 “나노입자 일체형 타이타늄 분말을 사용하면 3D프린팅 부품의 기계적 특성과 신뢰성이 모두 향상되기 때문에 향후 3D프린팅 기술의 핵심 소재로 활용될 것”이라고 전망하며 “다양한 산업의 타이타늄 부품에 적용 가능해 금속 3D프린팅 세계시장 선점도 가능하다”고 밝혔다.

개발된 성과는 현재 해외 기업에서 항공용 부품 소재 적용을 위한 평가를 진행 중이다.