보다 빠르고 저렴한 금속 3D 프린팅 기술이 개발되었다
자동차·선박·항공기 대형 부품 제작에 유리 각종 부품이 대부분 금속 소재로 된 제조업 특성상 제조 혁신을 이끌 핵심 기술로 '금속 3D 프린팅'이 각광받고 있다. 금속 3D 프린터는 복잡한 형상의 어떠한 금형에서도 높은 정밀도로 맞춤 제작이 가능하기 때문에 시제품 개발에서 양산까지의 제품 라이프 사이클(life-cycle) 비용을 효과적으로 절감한다. 특히 선박, 항공기 등 중대형 수송기기 부품처럼 부가가치가 높지만 다품종 소량 생산이 필요할 경우 가장 효율적인 대안으로 꼽힌다.한국생산기술연구원(이하 생기원)이 금속 3D프린팅 분야에 최신 용접 기술을 도입하여 중대형 부품 또는 다이캐스팅(Die-casting) * 금형을 보다 신속하고 저렴하게 제조할 수 있는 기술을 개발하였다.* 금형에 소재가 되는 금속을 녹여 높은 압력으로 강제로 밀어 넣는 정밀 주조법
기존의 PBF (Powder Bed Fusion) *' 방식의 3D 프린팅 기술은 고출력 레이저 장비와 고가의 분말 재료로 장시간 더 적층해야 하기 때문에 금형이 커질수록 제조 단가는 높아지고 생산성은 떨어지는 단점이 있다. 또 대형 금속의 3D 프린터 한 대당 가격이 약 10억원 이상의 고가여서 중소기업이 이를 도입해 운용하는 데도 재정적으로 부담이 되고 있다.* 파우더 파우더를 평평하게 깔고 레이저를 선택적으로 쏘아 소결시키거나 녹여 적층하는 방법
생기원 첨단성형공정연구그룹 지창욱 박사팀은 이러한 단점을 극복하기 위해 푸쉬풀(Push-Pull) 방식의 최신 용접기법으로 금속 와이어를 빠르게 적층하는 '와이어 아크(Wire+Arc) 3D 적층 제조방식'을 고안해 관련 공정을 최적화했다.이 방식은 3D 프린팅의 또 다른 방식인 DED(Directed Energy Deposition)*와 비슷하지만 열원을 레이저 대신 고온의 전기 불꽃 아크(Arc)를 사용해 금속 분말이 아닌 와이어를 녹여 적층한다는 점에서 차별화된다.* 고출력 레이저빔을 금속 표면에 대면 순간적으로 녹는 동시에 금속분말도 공급되어 실시간 적층하는 방법
연구팀은 용접기와 로봇, 적층 경로 설정 소프트웨어 등을 하나의 시스템으로 통합하고 와이어 소재, 가스 유량, 작업 온도 등 각종 공정 변수에 대한 데이터베이스를 쌓아 3D 프린팅에 적합하도록 최적화했다.
제작속도도 기존 주조공법보다 2배 이상 빠르고 도입비용은 상용 3D프린터의 110수준으로 개발된 기술은 제작할 부품 및 제품의 CAD 도면을 시스템에 입력하면 경로설정 소프트웨어가 최적의 적층경로를 선정하여 로봇팔에 부착된 용접토치가 그 경로를 따라 와이어를 녹여가며 쌓는 자동화 방식이다. 이 방식은 부품제작 속도가 기존 주조공법보다 2배 이상 빠르고, 특히 다이캐스팅 금형 제작의 경우 자동화 공작기계로 모재를 깎아 금형을 제작하는 기법인 CNC 가공법*과 비교하여 제조단가는 약 20%, 소재 손실률도 80% 낮다. 장비 구축 비용도 대형 3D 프린터의 10분의 1 수준에 불과해 경제적이다.
출처 : ScienceTimes
