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Nikkei X-TECH_2024.6.28

3D 프린터로 마그네슘(Mg) 합금 적층 조형하는 기술 개발
알루미늄 대비 20% 경량화, 미쓰비시전기 등 참여

미쓰비시전기와 구마모토대학 등은 3D프린터로 마그네슘(Mg) 합금을 적층 조형하는 기술을 개발했다. 이 기술에서는 안전 운용이 어려한 분말이 아닌 와이어 형태의 Mg 합금을 이용해, 치밀한 온도 제어를 통해 적층 조형한다. 경량화가 전망되는 항공기나 로켓, 자동차 등의 부품에 대한 적용을 전망한다. 로켓 부품에서는 기존의 알루미늄(Al) 합금 구조와 비교해 최대 약 20%의 경량화 효과를 얻을 수 있다고 시산한다.

이번에 개발한 기술은 3D프린팅 방식의 하나인 '지향성 에너지 퇴적(Directed Energy Deposition, 이하 DED)'을 기반으로 하고 있다. DED 방식은 노즐에서 토출된 분말 금속을 용융/고화시켜 조형하는 것이 일반적이지만 미쓰비시전기의 금속 3D프린터는 금속 와이어를 토출하는 것이 특징(와이어/레이저 DED 방식)이다. 미쓰비시전기는 레이저 출력과 와이어 공급을 정밀하게 제어해, 온도와 조형 형상의 센싱부터 조형할 곳의 온도와 형상 정밀도를 일정하게 유지하는 기술을 개발했다. 이미 미쓰비시전기는 스테인리스강과 니켈기 합금 등을 대상으로 한 와이어/레이저 DED 방식의 금속 3D프린터를 판매하고 있는데, 나아가 Mg 합금용으로 제어기술을 발전시켰다. Mg 합금 와이어가 연소되지 않는 적절한 조건에서 출력해 폭 3mm의 적층 두께로 조형한다.

와이어 모양의 Mg 합금을 이용하는 메리트는 크다. 하나는 안전한 운용에 대한 공헌이다. 기존의 3D프린터에서 주류였던 PBF(Powder Bed Fusion, 분말 적층 용융 결합) 방식은 금속 분말을 깔고, 레이저나 전자빔의 조사에 의한 열로 용융/결합해 적층 조형하고 있었다. 그러나 Mg 합금 분말은 쉽게 연소되므로 산화에 의한 열화나 분진 폭발을 일으킬 수 있었다. 그래서 와이어 모양의 Mg 합금을 이용함으로써 쉽게 다룰 수 있도록 했다.

3D프린터 조형은 Mg 합금 주조에서 일반적인 '다이캐스팅법'에 비하면 복잡한 조형이 가능해진다. 다이캐스팅법은 금형을 이용하기 때문에 튜브 구조를 비롯한 복잡한 형상의 조형이 어려웠다.

이 기술은 우주항공연구개발기구(JAXA)의 ‘혁신적 장래 우주 수송 시스템 연구개발 프로그램’의 틀에서 진행되고 있는 연구의 일부이다. 로켓 경량화를 통한 발본적인 저비용화를 위해서 2022년 9월부터 공동으로 검토를 거듭해 왔다.

미쓰비시전기는 2029년을 목표로, Mg 합금용 와이어/레이저 DED 방식 금속 3D프린터를 제품화한다. “Mg 합금의 적층 조형 가공에 관한 국내 수요의 발굴과 활용 실적의 쌓는 것이 큰 과제이다”(미쓰비시전기의 담당자). 미쓰비시전기는 수요로서 현재 Mg 합금을 이용하고 있는 제품만이 아니라 민간기의 시트 프레임이나 차량의 Multi-Material화에 대한 용도도 생각하고 있다고 한다.

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