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- 고품질 티타늄 부품 고속생산 위해 아크와 와이어 활용‘금속 3D프린팅 기술’개발

- 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 ‘티타늄’ 부품 공정에 대한 최적화를 이뤄냈다.

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

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

ㅇ 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.

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

ㅇ 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.

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

ㅇ 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 티타늄 부품 공정문제까지 해결해냈다.

ㅇ 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.

ㅇ 또한 헬륨가스 환경을 조성하여 티타늄의 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.

ㅇ 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.