금속 3D 프린팅: 기술과 공정 개요

금속 3D 프린팅이란?

금속 3D 프린팅은 적층 가공 또는 금속 적층 제조라고도 불리며, 금속 분말을 층층이 선택적으로 증착하거나 용융하여 3차원 물체를 만들어내는 기술입니다. 이를 구현하는 방식으로는 전자빔 용융(EBM)과 선택적 레이저 용융(SLM) 등이 있습니다. 기존의 전통적 제조 기술과 비교했을 때, 금속 3D 프린팅은 향상된 설계 자유도, 복잡한 기하학적 형상 구현, 그리고 정밀도 높은 맞춤형 금속 부품 제작이 가능하다는 강점을 가지고 있습니다.

작동 원리는?

금속 3D 프린팅(적층 제조)은 일련의 순차적 공정을 따릅니다. 먼저 3D CAD 소프트웨어를 이용해 디지털 모델을 설계하는 것으로 시작합니다. 이 모델은 수많은 얇은 단면으로 분할된 후, 프린팅을 위해 금속 분말이 준비됩니다. 선택적 레이저 용융(SLM)이나 전자빔 용융(EBM)과 같은 기술을 활용하여, 프린터는 분할된 설계 데이터에 따라 금속 분말을 선택적으로 층별로 용융하고 융합시킵니다. 이러한 층별 적층 방식은 물체 전체가 완성될 때까지 계속됩니다. 이후 지지체 제거, 열처리, 표면 마감 등의 후처리 공정이 수행될 수 있습니다. 최종 결과물은 복잡한 디테일과 정밀한 사양을 갖춘 완전한 형태의 맞춤형 금속 부품입니다.

금속 3D 프린팅의 주요 기술

산업계에서 널리 사용되는 금속 3D 프린팅 기술은 크게 다섯 가지로 구분됩니다. 이에는 선택적 레이저 용융(SLM), 전자빔 용융(EBM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 바인더 제팅, 직접 에너지 증착(DED)이 포함됩니다.

1. 선택적 레이저 용융 (SLM)

강력한 레이저를 사용하여 금속 분말을 선택적으로 용융 및 융합시키는 대표적인 금속 3D 프린팅 기술입니다. 이를 통해 완전히 고체 상태의 금속 부품을 제작할 수 있으며, 매우 복잡한 기하학적 형상도 구현 가능합니다.

SLM 공정 중에는 빌드 플랫폼에 금속 분말을 얇고 균일하게 도포합니다. 이후 레이저가 분말 층을 스캔하며, 디지털 설계 데이터에 따라 해당 층의 특정 영역을 정밀하게 용융시킵니다. 레이저의 정밀한 제어가 가능해 뛰어난 기계적 성질을 지닌 고세부 맞춤형 부품을 제작할 수 있어, 복잡한 설계, 높은 정밀도, 강력한 구조적 무결성이 요구되는 분야에서 선호되는 기술입니다.

(SLM 공정을 위한 JLC3DP 설계 가이드라인 예시)

2. 전자빔 용융 (EBM)

선택적 레이저 용융(SLM)과 유사하지만, 레이저 대신 고에너지 전자빔을 이용해 금속 분말을 용융 및 융합하는 첨단 기술입니다.

EBM 공정에서 집중된 전자빔은 디지털 설계에 따라 금속 분말층을 층별로 스캔하며 선택적으로 용융시킵니다. 이 공정은 금속 입자의 정확한 용융과 융합을 보장하여, 우수한 기학적 성질을 가진 대형 금속 부품의 제작을 가능하게 합니다. 빠른 빌드 속도, 낮은 잔류 응력, 복잡한 형상 구현 능력 등의 장점이 있으며, 항공우주, 자동차, 의료 등 견고하고 정교하며 기능성 높은 금속 부품이 필요한 산업 분야에 적합합니다.

3. 직접 금속 레이저 소결 (DMLS)

선택적 레이저 용융(SLM)과 매우 유사한 적층 제조 방식입니다. DMLS는 저출력 레이저를 사용하여 금속 분말을 선택적으로 소결시키고, 분말들을 층별로 접합시켜 원하는 물체를 생성합니다. 이 기술은 소규모 양산 부품 및 작동 프로토타입을 매우 정밀하고 상세하게 제조할 수 있게 합니다.

다양한 금속 소재를 처리할 수 있는 유연성과 복잡한 기하학적 형상 제작 능력이 장점입니다. 빠른 프로토타이핑과 소규모 생산이 필수적인 의료, 자동차, 항공우주 분야에서 견고한 금속 부품 제조가 가능해 선호되는 기술입니다.

4. 바인더 제팅 (Binder Jetting)

액체 상태의 바인더(접착제)를 금속 분말 층 위에 선택적으로 분사하여 분말 입자들을 접합시키는 공정입니다.

빌드 플랫폼에 금속 분말을 얇게 펴 바른 후, 프린트 헤드가 특정 영역에 액체 바인더 방울을 적착하여 고형화시킵니다. 이 과정을 층층이 반복하여 물체를 완성한 후, 일반적으로 소결과 같은 후처리 공정을 통해 바인더를 제거하고 금속 입자들을 완전히 융합시켜 치밀하고 단단한 금속 부품을 만듭니다.

다른 금속 3D 프린팅 대비 뛰어난 프린팅 속도와 비용 효율성이 핵심 장점입니다. 상대적으로 저렴한 금속 분말을 사용하며, 높은 재료 활용률로 폐기물을 최소화합니다. 금형, 주얼리, 프로토타이핑 분야에서 복잡한 내부 채널과 디테일한 형상을 빠르고 경제적으로 제작하는 데 적합합니다. 다만, SLM이나 EBM 대비 최종 부품의 기계적 강도는 상대적으로 낮을 수 있어 적용 범위를 고려해야 합니다.

5. 직접 에너지 증착 (DED)

레이저나 전자빔과 같은 집중 에너지원을 사용하여 금속 분말 또는 와이어 형태의 재료를 기판 위에 정밀하게 증착시키는 기술입니다.

에너지원이 금속 재료를 기판 위에 증착시키는 동시에 용융시킵니다. 집중된 에너지로 열 입력을 정밀하게 제어할 수 있어 층별 증착이 가능합니다. 주로 대형 금속 부품의 제조, 코팅, 손상된 부품의 수리에 활용됩니다. 기존 부품에 재료를 추가하여 원래 형상과 기능을 복원하거나, 내마모성/내식성 향상을 위한 보호 코팅을 생성할 수 있습니다. 다양한 금속 및 합금 소재를 사용할 수 있는 다재다능함이 특징이며, 항공우주, 자동차, 에너지 산업에서 활발히 적용되고 있습니다.

결론

요약하자면, 금속 3D 프린팅은 정밀하고 맞춤형이며 복잡한 금속 부품 제조를 가능하게 하는 혁신적인 기술입니다. SLM, EBM, DMLS, 바인더 제팅, DED와 같은 다양한 공정을 통해 금속 물체를 층층이 만들어내며, 각각 독특한 설계 가능성과 실용적 장점을 제공합니다. 이러한 적층 제조 기술은 항공우주, 자동차, 의료, 주얼리 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 지속적인 발전과 함께, 금속 3D 프린팅은 제조 공정을 혁신하고 여러 산업 분야에서 지속적인 성장을 이끌 잠재력이 매우 큽니다.