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제목 [미래 신 제조공장 대응을 위한 적층제조 장비기술①] 금속 적층제조 장비 기술 동향 기술동향
담당자 김유생 담당부서 전시홍보팀
연락처 02-3459-0027 등록일 2018-02-12 17:42:24.647
R&D Trend Ⅰ
글_ 박장선 한국과학기술정보연구원 전문연구위원

 

※이 분석물은 과학기술정보통신부 과학기술진흥기금, 복권기금의 지원을 받아 작성하였습니다.

 

지난 수년 동안 적층제조(additive manufacturing : AM)기술이 국내외에서 주목을 끌어왔다. 최근에는 적층제조기술이 4차 산업혁명을 선도하는 핵심기술 중의 하나로 제기되면서 관심은 더욱 고조되고 있다.
월간 공작기계(MTM)에서는 2회에 걸쳐 금속 적층제조 장비를 중심으로 최근 기술개발동향과 적층제조+절삭가공 하이브리드 시스템 개발사례를 살펴보고자한다.

 

 

금속 적층제조 장비산업 개요

적층제조기술은 1987년 STA(Stereolithography Apparatus) 기술에 의한 1차 붐과 용융적층 방식인 FDM(Fused Deposition Modeling)과 잉크젯 프린팅에 의한 새로운 2차의 적층기술(1990년대) 붐을 거쳐 현재 3차 붐이라 할 수 있는 금속 적층기술로 진행하고 있는 양상이다. 2000년대 초 적어도 적층제조 산업에서 세계를 주도하던 미국의 Stratasys사와 3D Systems사의 특허종료 시점인 2014~2015년경까지는 폴리머 적층제조가 지배적 환경이었지만 최근에는 독일의 SLM Solution사, EOS사, Concept Laser사 등의 금속 적층제조 장비기술이 항공, 의료, 자동차, 전자 분야 등의 제품 제조용으로 높이 평가되면서 금속적층제조 장비는 독일이 선점하는 공급체제가 형성되고 있다.
Wohlers Report 2017은 폴리머 적층시스템이 아직은 가장 많은 비중을 차지하고 있지만 2016년 말 현재 적층제조 서비스업체들의 금속 부품제조 서비스 비율이 50%에 육박하고 있다고 보고했다<그림 1>.

이러한 현상은 금속 적층제조 방식에 의한 부품제조 수요의 증가가 중요한 배경이지만, 전통적 제조방식에 비해 금속 적층제조의 강점에 기인한 것이다. 금속 적층제조 장비의 시장전망 자료 <표 1>은 이를 뒷받침하고 있다.
경제 산업 사회적 수요 측면에서 고려할 때 금속 적층제조는 기존방식에 비해 ① 효율적인 자원소비 ② 제품생산 이용의 용이성 ③ 소비유형을 만족하는 분산생산 방식 ④주문식 생산으로 재고와 이송경로의 단축 ⑤ 제조업 가치사슬에 변화유도 가능성 등이 제시된다.
한편, 기술적 측면에서 고려할 때는 ① 대량 맞춤형 제조형태 ② 제품기능에 충실한 제조가 가능한 점 ③ 공정단축 가능성 ④ 유리한 재료와 에너지 효율성을 들 수 있다.
전통적인 생산에서는 부품의 복잡도가 커지면 비용 상승요인으로 작용한다. 반면에 적층제조 방식에서 복잡도 증가는 최소한의 추가 비용만 소요된다. 이는 적층제조가 복잡도가 높고 주문생산 부품에 적합함을 보여준다.

금속 적층제조에서 용융 열원은 장비를 판단하는데 핵심요소다. 현재 레이저빔 용융 방식이 금속 적층제조 장비의 주류를 이루고 있다. 아직 레이저빔 방식에는 산업응용에서 훨씬 미치지 못하지만 전자빔 용융 시스템은 고밀도 용융 에너지원으로 주목받고 있다. 이상의 2개 열원을 기반으로 하는 금속 적층제조 장비는 주요 금속 적층제조 장비메이커들과 후발국들이 전략적 개발 대상으로 하는 시스템들이다.

 

 

레이저빔을 이용한 금속 적층제조 시스템

ASTM 표준 F2792는 적층제조 프로세스를 7개의 카테고리로 분류하고 있다. 이 중에서 레이저를 용융 열원으로 이용하는 프로세스는 PBF(Powder Bed Fusion), DED(Directed Energy Deposition), VP(Vat Photopolymerization, Stereolithography)이다. 여기서는 가장 많이 응용되는 PBF와 DED 프로세스를 분석한다.

 

 

PBF 방식

PBF 프로세스는 금속분말을 깔아놓은 영역을 열에 의해 선택적으로 용융 결합한다. SLM/DMLS (Selective Laser Melting), SLS(Selective Laser Sintering) 등<예: 그림 2>의 제조방식이 있다.
레이저를 용융열원으로 하는 PBF 방식의 적층제조 장비의 최근 기술동향은 ① 1kW의 고출력 광섬유 레이저를 탑재하는 등 레이저 고출력화, ② 2대 또는 4대의 광섬유 레이저를 탑재하는 다중 광원화, ③ 250mm에서 500mm 이상에 이르는 적층면적의 대형화, ④ 용융지(melting pool) 모니터링 기능 설치 등이 열거된다. 이러한 기술적 성과를 통해 지난 수년 동안 적층물체의 고정밀화, 적층속도의 고속화가 진행되어왔다.
레이저 광원을 사용하는 PBF 장치 개발에서 주목되는 것은 Concept Laser사(독일)가 Formnext 2015의 주제 “AM Factory of Tomorrow”에서 발표한 금속 적층제조 장비의 모듈화 및 시스템화 전망이다. 아직은 개념단계지만 가까운 장래에 대량생산으로 이어질 가능성이 있다. GE(미국)는 차세대 항공우주용 LEAP(Leading Edge Aviation Propulsion) 엔진의 25%를 PCB 적층제조 방식으로 제작한다고 발표했다. 2018년까지 연료분사 노즐을 실용화하고 TiAl합금의 터빈 블레이드를 개발한다. 연구개발용 시험 장비를 많이 제작해온 SLM사(독일)는 수요자의 요구를 기초로 개발한 장비(SLM125)뿐만 아니라 시제품 제작용(SLM280), 양산을 겨냥한 대형 시스템(SLM500) 등 다수의 장비 시리즈를 개발 중이다.

 


현재 레이저를 열원으로 하는 대부분의 금속 적층제조 장비는 광섬유 레이저를 채택하고 있는 경향이지만 적층 사이즈, 출력, 적층속도와 두께에서는 스펙을 달리하고 있음을 보여준다<표 2>.

 

 

DED 방식

자료: https://search.yahoo.co.jp/image/search?rkf=2&ei=UTF-8&gdr=1&p=directed+energy+deposition

DED(Direct Energy Deposition) 방식은 재료를 용융·융착하는데 집속 열에너지를 이용한다. 고도의 기술이 필요한 금속산업과 고속 시제품제조에 이용되는 적층제조 프로세스로서, 장비는 보통 다중 축 로봇팔에 부착하며, 재료를 용융하고 성형하는 레이저(전자빔, 플라스마 아크도 이용)로 금속분말이나 선재를 용착하는 노즐을 구성한다. 금속분말이나 선재를 용융하여 단순형상의 대형제품과 복층제품을 제조할 수 있는 이점이 있다.
지금까지 Sandia국립연구소(미국)에서 개발한 LENS(Laser Engineered Net Shaping), Fraunhofer(독일)가 개발한 LMD(Laser Metal Deposition) 기술이 있다. 이 방식은 터빈블레이드의 보수에 응용된다. 최근에는 고밀도 복합형상 부품의 제작이 가능하며, AL합금, 스테인리스강, 공구강, Ti합금 등의 적층제조에도 응용된다.
Optomec사(미국)의 적층제조 장비가 항공우주부품 제조에 이용되고 있고, Trumpf사(독일)는 콤팩트한 레이저 적층시스템인 TruLaser Cell 3000을 새로 설치했다. 적층제조 속도는 5~200cm2/h이다.
지금까지는 PBF 방식이 주류였으나 최근에는 DED방식도 고속 고정밀 적층제품 제작이 가능하게 됨으로써 앞으로 DED 프로세스 응용기술개발이 증가할 것으로 예상된다. <그림 3>은 레이저 빔에 의한 DED 프로세스 개요를 보여준다.

 

 

적층제조는 설계를 3차원 형상물로 전환시키기 위해 CAD를 이용하고 형상물을 여러 개의 2차원으로 얇게 자른다. 이후 적층제조장비는 디자인 소프트웨어에 따라 재료의 층들을 용착하여 3차원 형상으로 만들어낸다.

 

 

전자빔을 이용한 금속 적층제조 시스템_EBM 적층제조 프로세스

금속 용융열원을 전자빔으로 사용하는 EBM(Electron Beam Melting) 적층제조기술은 3차원 CAD 데이터에 기초한 전자빔 주사에 따라 약 50~100㎛의 두께로 깔아놓은 금속분말 베드를 선택적으로 용융 응고시킨 층을 반복 적층시켜 3차원 구조체를 제작하는 분말 소결방식의 PBF와, 합금 와이어를 전자빔으로 용융시킨 후 기판 위에 용착(deposition)시켜 3차원 구조체를 만드는 DED방식이 있다. 전자빔에 의한 PBF방식은 고정밀 적층제조기술로서 항공기부품, 의료용 제품의 제조기술로서 보급 중이다. 현재 세계적으로 시판 중인 EBM 적층제조 장비는 1997년 창업한 Arcam사(스웨덴)가 유일하다.
EBM 방식의 적층제조는 진공상태에서 이뤄지기 때문에 시스템 구성이 복잡하다. PBF 방식에서는 선택적 용융 프로세스에 들어가기 전에 분말베드 온도를 고온(700~1,000℃)으로 예열해야 하는 점이 특수하다.
Arcam EBM 적층제조 장비는 강력한 전자빔으로 금속분말을 적층방식으로 용융하여 고밀도 금속부품을 제조하며, 고 용융용량에 필요한 에너지를 생성하는 높은 파워의 전자빔을 이용한다. 전자빔은 매우 빠르고 정확한 빔 제어를 제공하는 전자기 코일로 생성되며, 몇 개의 용융지(melting pool)를 동시에 가동시키는 다중 빔 장치를 이용한다.
EBM 프로세스의 진공 시스템은 전체 제조 사이클을 통해 1×10-5mbar 또는 그 이상의 기본압력을 제공한다. 실제 용융 프로세스에서 He의 부분압력은 2×10-3mbar이다. 이러한 깨끗하고 제어된 제조환경은 재료의 화학적 스펙을 유지하는데 필요하다.
각 층의 제조 프로세스에서 전자빔은 가열재료에 맞게 적정온도로 분말베드를 가열한다. 이 결과 EBM 프로세스로 제조된 부품들은 잔류응력이 남아있지 않고 마텐자이트구조가 아닌 마이크로 구조를 갖는다는 점도 특징 중의 하나다<그림 4 참조>.

 

 

 

 

EBM과 LBM 프로세스의 비교

적층제조에서 EBM 프로세스는 레이저빔 프로세스(LBM)와 비교할 때 여러 다른 특징이 있다. 예컨대, EBM은 열원과 출력에서 LBM보다 훨씬 높아 고융점 합금에도 적용할 수 있다. 스캔속도가 매우 빠르며, 예비가열 프로세스를 통해 재료나 제품의 변형이 적다는 장점이 있다<표 3>. 장비의 비용 다운, 조형분위기 개선과 같은 기술적 핸디캡을 극복할 수 있다면 EBM 적층제조의 경쟁력은 크게 증가할 전망이다.