일본산업뉴스요약

휘어짐, 갈라짐 없이 금속 성형
히타치, 3D프린터 설계법 개발

히타치제작소는 3D프린터로 금속부품을 성형할 때의 휘어짐이나 갈라짐을 방지하는 최적의 설계를 찾아내는 기술을 개발했다. 시뮬레이션을 사용해, 만들고 싶은 부품의 모양을 바탕으로 완성품을 예측해 부족한 부분을 보강하면서 가공한다. 우선은 그룹 내에서의 이용을 상정하고 있다. 장기적으로는 장치나 부품의 외부 판매 등에서 실용화를 목표한다.

금속부품을 성형하는 3D프린터는 제조 비용의 삭감이나 신제품 개발에 도움이 될 것으로 기대를 받고 있다. 플라스틱용 정도로 보급되지는 않았지만 의료나 우주 등 첨단기술 분야에서 이용하기 시작했다. 2030년에는 자동차나 로봇, 전기 제품 등 친근한 제품으로까지 확대될 가능성이 있다.

보급을 위해서는 성형의 정밀도가 과제다. 레이저가 닿은 부분과 그 이외의 부분과의 온도 차이 때문에 금속이 휘어지거나 갈라지거나 한다. 힘을 가하기 쉬운 얇은 부분 등에 보강 부분을 추가해 성형을 하고, 성형 후에 잘라내는 것이 일반적이다. 기존에는 사람이 경험적으로 설계해 보강했지만 경험이 필요한데다 정밀한 성형이 어려웠다.

연구그룹은 금속의 분말을 레이저로 녹여서 굳히는 타입의 3D프린터로, 성형할 때의 정밀도를 높이는 방법을 개발했다. 10~100마이크로미터(마이크로는 100만분의 1)의 두께로 분말을 깔아 두고, 레이저를 조사한 곳이 녹아서 성형되는 구조다. 분말을 깔고 레이저를 조사하는 작업을 계속 반복하면서 입체적인 부품을 만든다.

시뮬레이션을 사용해 미리 휘어짐이나 갈라짐을 예측함으로써 정밀도를 높였다. 금속 재료나 모양을 바탕으로 부품을 컴퓨터 상에서 재현해, 열에 의해 가해지는 힘 등을 계산해 최적의 보강 방법을 찾는다. 열에 의한 휘어짐을 반영해 설계하는 것도 가능하다.

실제로 L자형 공구를 시작해 보았다. 성형이 어려운 구석 부분의 오차를 비교해 보니, 사람이 설계한 경우가 0.7mm 설계에서 벗어났지만 새로운 방법을 사용한 경우는 0.2mm에 그쳤다. 사용하는 보강 재료도 40% 줄었다.

성형 시간이 느린 것도 과제다. 작은 부품을 만드는데 몇 시간이나 걸리는 경우도 있다. 연구그룹은 레이저를 1개에서 4개로 늘려 가공시간을 절반 이하로 단축한다. 레이저 조사에 의한 온도 차이를 저감하는 기술이나 불순물을 줄이는 기술도 이미 개발했으며 이들 기술을 조합할 생각이다. 프린트 속의 모습이나 온도 등의 정보를 바탕으로, 인공지능(AI)으로 시뮬레이션의 정밀도를 높이는 기술 개발에도 착수한다.

히타치제작소는 현재는 3D프린터를 판매하고 있지 않다. 연구그룹은 미래의 상품화나 자사 공장 등에서의 활용을 목표로 개발을 추진한다.

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