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Nikkei Monozukuri_2022.2 뉴스 심층 (p24~26)

금속 3D프린터의 보급 확대를 목표로
국내 3사와 긴키(近畿)대학, 공동연구 개시

시마즈(島津)제작소의 자회사인 시마즈산기(島津産機)시스템즈(오츠시)와 S.랩(교토), 다이이치세라모(第一セラモ, 시가현), 긴키대학이 금속 3D프린터에 대한 공동연구를 개시했다. ‘도입·이용 코스트가 비싸다’, ‘애프터서비스가 충분하지 않다’, ‘일본 업체의 수요에 맞은 제품이 적다’ 등의 문제에 대응할 수 있도록 국내 3사와 긴키대학은 각각의 전문성을 공유해 순수 국산 장치와 재료 개발을 추진할 예정이다.

-- 서로 장치와 재료를 나누어 담당 --
공동연구 대상은 재료 압출(Material Extrusion: MEX) 방식의 금속 3D프린터. 금속 분말과 바인더(플라스틱)를 혼합한 컴파운드를 적층 조형한 후, 탈지〮소결해 입체 모델을 완성한다. 조형 장치는 S.랩, 소결로(燒結爐)는 시마즈산기시스템즈, 재료는 다이이치세라모가 중심이 되어 개발한다.

이번 공동연구에서는 각 기업의 거점에 장치·재료를 두고 효율적으로 연구를 추진, 재료별로 최적화된 처리 조건 판별과 장치·재료 개선을 진행하는 동시에, 전문 지식 없이도 금속 3D프린터를 활용할 수 있도록 하기 위한 노하우를 확립해나갈 방침이다. 긴키대학 차세대기반기술연구소의 교고쿠(京極) 특임교수가 연구 전체의 평가 및 지도를 맡는다.

이번 공동연구와 병행해 장치와 재료의 판매도 3사가 제휴해 추진한다. 우선은 조형 장치와 소결로를 조합한 시스템 전체를 약 3,000만엔에 제공. 유저로부터의 요구에도 대응해나갈 계획이다.

-- 저비용, 빠른 속도의 새로운 방식 --
금속 3D프린터는 현재 크게 두 가지 방법이 주류로 자리잡고 있다. 베드에 도포한 금속분말을 레이저 등으로 선택적으로 녹여 적층하는 ‘분말베드용융(Powder Bed Fusion: PBF)’ 방식과 노즐에서 분사된 금속분말을 레이저 등으로 녹이는 ‘직접에너지적층(Direct Energy Deposition: DED)’ 방식이다.

PBF 방식과 DED 방식은 금속재료를 직접 조형(용융 응고)한다. 한편, 금속 분말이 포함된 플라스틱을 재료로 조형하고, 조형 후에 화로 등으로 소결하는 MEX 방식의 금속 3D프린터도 최근 증가하고 있다. 소결 공정이 필요하지만, 금속보다 녹는점이 낮은 플라스틱을 조형하기 때문에 조형 시간이 비교적 짧고, 레이저 등의 광원이 불필요하며, 도입 및 유지 비용도 저렴하다.

MEX 방식의 금속 3D프린터를 이용한 조형은 분말사출성형(PIM)이나 금속분말사출성형(MIM)과 같은 프로세스라고 말할 수 있다. PIM이나 MIM이 금형에 재료를 사출해 소결 전의 입체 모델을 성형하는데 반해, MEX 방식은 적층 조형을 한다.

PBF 방식이나 DED 방식의 금속 3D 프린터의 경우, 일본에서는 공작기계 업체나 전자빔기기 제조사 등이 정부의 지원을 받아 장치나 재료를 개발해 제품화하고 있다. 하지만 기술적으로 앞서있는 해외 기업들의 장치·재료가 시장에 많이 유통되고 있는 실정이다.

비교적 새로운 MEX 방식의 금속 3D프린터도 이미 여러 해외 기업들이 제품화하고 있다. 하지만, MEX 방식에는 사용 가능한 재료나 시스템을 같은 제조사로부터 구입해야 한다는 제약이 있었다.

이번 공동 연구의 목적은 국내 기업 3사가 제휴해 해외의 MEX 방식 금속 3D프린터 제품에 대항해나가는 것. 그 차별화의 핵심이 되는 것이 바로 사용할 수 있는 재료의 다양성이다.

-- 펠릿을 이용 가능하도록 --
MEX 방식에서는 필라멘트(와이어 상태의 재료)를 사용하는 경우가 많다. S.랩도 창업 초기에는 플라스틱의 필라멘트를 사용하는 MEX 방식의 3D프린터를 개발했지만, 최근에는 일반적인 사출 성형기로 사용할 수 있는 펠릿(알갱이 상태의 재료)을 사용하는 방식에 주력하고 있다.

펠릿을 사용하면 재료의 단위시간 당 토출량을 늘릴 수 있어 생산성이 높아진다. S.랩의 3D프린터는 도쿄올림픽의 시상대를 조형하는데도 사용되었다. 복수의 장치를 사용해 1개월 반 동안 1만개 이상의 부품을 조형했다고 한다.

MEX 방식을 금속 3D프린터에 적용시키기 위해 S.랩은 재료 토출량을 정밀하게 제어할 수 있는 독자적 기능을 추가한 ‘GEM200DG’를 개발했다. 2개의 톱니바퀴 회전으로 재료를 밀어내는 기어펌프를 토출 노즐 앞에 배치해 조형재료를 토출하도록 했다.

-- 3D프린터용으로 물성(物性)을 최적화 --
높은 처리 능력뿐만 아니라 다양한 재료를 쓸 수 있다는 점도 펠릿 방식의 특징이다. 펠릿은 사출 성형이나 PIM, MIM용으로도 제공되고 있기 때문에, PBF 방식이나 DED 방식처럼 입자의 지름이나 형상에 대한 조건이 까다로운 분말 재료보다는 저렴하게 구입할 수 있다.

하지만, MEX 방식의 금속 3D프린터로는 PIM 방식이나 MIM 방식과 똑같은 재료를 사용하면 충분한 품질을 얻을 수 없는 경우도 있다. 융해한 플라스틱을 금형 안으로 단번에 사출하는 방법과 노즐로부터 조금씩 사출하면서 적층해나가는 방법은 유동성이나 응고 시의 결합성 등에서 필요한 특성이 다르기 때문이다.

이를 해결하기 위해 다이이치세라모는 MEX 방식의 금속 3D프린터 이용을 전제로 한 조형 재료를 개발했다. 이 조형 재료는 금속 분말과 바인더를 혼합한 컴파운드를 펠릿화한 것으로, 바인더 설계를 응용했다. 시행착오 결과, 조형물뿐만 아니라 조형 후 탈지, 소결 과정에서의 변형도 억제할 수 있도록 했다고 한다.

다이이치세라모는 금속 3D프린터용 컴파운드로 금속과 세라믹스를 선택. 금속으로는 우선 스테인레스강(SUS304, SUS316L, SUS630)을 제공하며, 티타늄합금도 검토 중이라고 한다. 세라믹스로는 알루미나와 지르코니아를 선택했다. 또한, 유저가 지정한 분말을 컴파운드화하는 제작 서비스에도 대응할 방침이다.

-- 사용 편리성을 높인 전용 탈지 소결로 --
조형 후에 사용하는 진공 탈지 소결로인 ‘VHS-CUBE’는 시마즈산기시스템즈가 금속 3D프린터 전용으로 개발했다. 크기가 폭 1,400×깊이 850×높이 1,700 mm로, 실험실이나 시작실 등에도 설치하기 쉽다. 조건 설정 등의 기본 조작뿐만이 아니라, 트러블 발생 시나 유지보수 시의 조작을 안내하는 기능을 가진 터치 패널도 갖추고 있다. 시마즈산기시스템즈는 기존에도 MIM 전용의 소결로를 제품화했었지만, 대량 생산을 전제로 한 것으로, 진공 탈지 소결로는 장치의 크기 및 가격 측면에서 도입이 어려웠다.

MEX 방식의 금속 3D프린터는 현재, 형상의 정밀도나 표면성상(Surface integrity), 양산성 등에서는 금형을 사용한 성형품에 뒤쳐진다. 이러한 성능을 높이는 연구도 중요하지만, 그것보다 형상의 높은 자유도나 단품 생산에 적합하다고 하는 3D프린터의 특징을 활용해 MEX 방식에 적절한 용도와 사용법을 전제로 장치나 재료를 진화시키는 기술개발이 요구된다.

 -- 끝 --

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