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Nikkei X-TECH_2022.12.19

Formnext 2022
TRUMPF, 대형 3D프린터에 그린레이저
구리 부품을 조형하기 쉽게

독일의 산업용 레이저 제조업체인 TRUMPF(트럼프)는 자사 최대의 금속 3D 프린터(부가제조(AM) 장치)에 그린레이저를 탑재한 ‘TruPrint 5000 Green Edition’을 개발했다. 종래의 적외선 파장 레이저를 사용하는 장치보다 구리 재료를 조형하기 쉽다. 이 장치로 조형한 구리 부품을 세계 최대 규모의 3D 프린팅 박람회 ‘Formnext 2022’(22년 11월 15~18일 독일 프랑크푸르트)에서 선보였다.

TruPrint 시리즈는 금속 분말을 얇게 깐 곳에 레이저를 조사해 소결시키는 분말적층용융결합(PBF) 방식의 금속 3D 프린터이다. 구리는 적외선 파장의 반사율이 높기(흡수율이 낮기) 때문에 적외선 파장 레이저를 사용하는 기존의 TruPrint로는 조형하기 어려웠다.

그래서 TRUMPF는 구리가 잘 흡수하는 파장인 515nm의 그린레이저 발진기를 독자적으로 개발했다. 생산성을 중시한 공업용 3D 프린터인 ‘TruPrint 5000’에 탑재해, 대형 구리 부품을 ‘고속이면서 고품질로’ 제조할 수 있도록 했다.

TruPrint 5000 Green Edition은 이미 활용하고 있다. 예를 들어 유럽의 대학이나 기업이 자금을 제공하는 입자가속기의 연구개발 프로젝트 ‘I.FAST’에서는 입자를 광속에 가까이 하기 위해서 반드시 있어야 하는 부품인 ‘고주파 4중극자(RFQ)’의 프로토타입 제작에 사용했다. 이 RFQ는 순 구리로 만들었으며 크기는 직경148mm×길이248mm이다. 1회 적층 조형으로 이 크기의 부품을 만들 수 있다고 한다.

3D 프린터를 사용하면 설계 자유도가 높아진다. 예를 들면, 가는 관 모양의 냉각 채널의 배치를 최적화하여 냉각 성능을 높일 수 있다. 기존의 RFQ의 냉각 채널은 드릴에 의한 타공 가공으로 만들 수 있는 모양으로 해야만 했다.

3D 프린터에는 공정을 간소화할 수 있다는 장점도 있다. 기존의 제조법에서는 여러 차례의 열처리나 부품의 조립, 납땜 등이 필요하다. 3D 프린터로 제조하면 부품을 일체화할 수 있기 때문에 조립이나 납땜 작업을 하지 않아도 된다.

-- 가공된 부품 위에 적층 조형 --
TRUMPF가 Formnext 2022에서 발표한 TruPrint 5000의 업데이트는 그린레이저의 탑재뿐만이 아니다. 가공된 부품 위에 정확하고 간단하게 적층 조형하기 위한 '프리폼 기능'을 선보였다. 적층 조형은 복잡한 모양을 만들 수 있는 한편으로 조형에 시간이나 비용이 많이 소요되는 점이 과제다.

비교적 단순한 모양을 절삭 가공이나 주조 등의 기존 기법으로 만들고, 복잡한 모양만 3D 프린터로 부가하는 ‘하이브리드 생산’이 가능하면 복잡하고 고기능의 부품을 효율적으로 만들 수 있다.

현재 하이브리드 생산이 주류가 아닌 이유 중 하나는 기존 부품 위에 위치가 어긋나지 않도록 적층 조형하는 것이 어렵기 때문이다. 프리폼 기능은 그러한 위치 조정 과제를 해결한다. 이 기능은 3D 프린터 내에 적층 조형의 토대가 되는 부품이 세팅된 상태에서 이용한다. 장치 내의 부품을 포착한 카메라의 이미지 데이터와 부품의 설계 데이터를 대조하면서 적층 조형하는 위치를 정확하게 맞춘다.

유저는 장치에 탑재된 HMI(Human Machine Interface) 디스플레이의 메뉴를 조작해 프리폼 기능을 사용한다. HMI 디스플레이에는 장치 내에 세팅한 부품에 설계 데이터 상의 부품 윤곽을 덧댄 이미지가 표시된다.

이 윤곽이 적층 조형할 위치를 나타낸다. 위치 조정은 자동과 수동 모두 가능하다. 수동으로 조정하는 경우, 실물 부품의 이미지와 윤곽이 어긋나는 것을 시각적으로 확인하고 터치 조작으로 조정한다. 여러 개 부품 중 1개의 부품 위치만 수동으로 미세 조정할 수도 있다.

Formnext 2022에서는 프리폼 기능을 사용해 25개의 절삭 공구를 만드는 과정을 전시했다. 공구의 끝 부분 이외는 단순한 모양이기 때문에 미리 기존의 공법으로 제조했다. 그 위에 토폴로지 최적화를 사용해 설계한 칼날을 3D 프린터로 조형하고 있다. 날의 안쪽에는 효율적으로 공구를 냉각하기 위한 가는 냉각 채널을 만들었다.

그린레이저와 프리폼 기능은 그동안 TRUMPF의 소형 3D 프린터로, 주로 치과 분야에서 이용되는 ‘TruPrint 1000’에만 탑재 가능했다. 이번 TruPrint 5000에 탑재 가능하게 됨으로써 공업 용도로 이용할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 예를 들면, 그린레이저는 전기자동차(EV)용의 방열성이 높은 구리 부품의 조형, 프리폼 기능은 엔진의 터빈 블레이드의 보수 등에 도움이 될 것으로 기대된다.

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