한국생산기술연구원

생기원, 세계 최고속 타이타늄 SLM 공정기술 개발

- 5일 이상 걸리던 흉곽 임플란트, 3일 이내로 단축

- 맞춤형 생산 필요한 의료‧국방‧항공우주 분야 정밀 부품 제조 기반 마련

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 세계 최고 수준의 타이타늄 적층 속도를 구현한 ‘선택적 레이저 용융(SLM, Selective Laser Melting)’ 공정기술을 개발했다. 

ㅇ SLM 공정은 금속 분말을 고출력 레이저로 녹이면서 적층하는 3D 프린팅 기술로, 복잡한 형상도 정밀하게 만들 수 있어 첨단 부품 제조에 활용되고 있다.

□ 생기원 기능성소재부품그룹 김건희 수석연구원, 신산업부품화연구부문 이호년 수석연구원 공동 연구팀은 타이타늄 소재의 적층 속도를 2배 이상 높이면서, 동시에 품질까지 향상시킨 SLM 공정기술을 개발했다고 밝혔다.

ㅇ 타이타늄은 강도와 내식성이 우수해 의료 및 항공우주 산업의 핵심 소재로 활용되지만, SLM 공정에서는 적층 시간이 오래 걸리는 단점이 있었다. 

ㅇ 또한 적층 소재가 두꺼워질수록 에너지가 충분히 전달되지 않아 기공 등의 결함 발생으로 충분한 물성을 확보하기 어려웠다. 

□ 연구팀은 단일 레이저 열원만으로 타이타늄을 빠르게 적층하면서 물성 조건까지 충족하는 공정 조건을 개발함으로써 문제를 해결했다. 

ㅇ 먼저 타이타늄 분말이 완전히 녹아 굳는데 필요한 에너지를 계산하고, 레이저 파장을 반영해 에너지 흡수율을 정밀 측정했다.

ㅇ 이를 기반으로 레이저 출력, 주사 속도 및 간격, 적층 두께 등의 공정 변수들을 조합해 적층에 최적화된 에너지 밀도를 도출해 냈다.

□ 연구팀은 이러한 공정 최적화를 통해 고속 적층 중 발생하는 주요 결함을 제어하고, 일관된 품질을 위한 공정 데이터베이스(DB)를 구축했다.

ㅇ 레이저 에너지가 부족할 경우 금속이 완전히 녹지 않아 내부에 빈틈(Lack of Fusion)이 생기고, 과하면 표면이 패이거나 기체가 갇혀 강도를 떨어뜨리는 키홀(Keyhole), 표면 팽창(Swell), 수축(Shrinkage) 등의 결함이 발생할 수 있다.

ㅇ 연구팀은 각 결함의 발생 조건을 정밀 분석하고, 에너지 밀도와 공정 변수를 실시간으로 자동 조절해 사전에 결함을 차단하는 적층 조건을 수립했다.

ㅇ 또한 공정 중 발생하는 산화 반응과 고온으로 인해 일부 원소가 증발하거나 뭉치는 조성 변화까지 고려해 타이타늄이 안정적으로 응고되는 공정 데이터베이스(DB)를 구축했다.

□ 이와 함께 적층 중 냉각을 유도함으로써 강도 향상에 유리한 마르텐사이트(Martensite)를 형성하는 데 성공, 타이타늄의 강도와 안정성을 높일 수 있는 미세조직 제어기술도 확보했다.

ㅇ 아울러 타이타늄 소재 내부의 산소, 철 과 같은 미량 원소를 정밀하게 제어하는 고용 강화 기법을 적용해 합금 없이도 타이타늄 본연의 강도를 높였다.

□ 연구팀은 개발한 기술을 통해 5일 이상 걸리던 성인 평균 크기의 흉곽 임플란트 적층 시간을 3일 이내로 줄이는 데 성공했다.

ㅇ 실험 결과 적층 속도는 시간당 약 37.966㎤/h로, 이전까지 최고 수준이었던 18㎤/h 대비 2배 이상 빨라졌다. 

ㅇ 특히 99.98% 이상의 밀도와 670MPa 이상의 인장강도를 유지하는 것으로 나타나 경량·고강도를 요구하는 다양한 타이타늄 부품을 제조할 수 있게 됐다. 

□ 김건희 수석연구원은 “이번 기술로 환자 맞춤형 의료기기 제작 기간을 단축시켜 위급한 환자의 수술 대기시간을 줄일 수 있게 됐다”고 말하며 “향후 알루미늄, 니켈, 철계 합금 등 다양한 금속 소재로 기술을 확장해 의료뿐만 아니라 항공우주, 자동차, 국방 등 첨단 부품분야에 확대하는 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.