금속 3D 프린터를 이용한 텅스텐 적층 제조: 고융점 금속 생산을 위한 최첨단 기술

2. 텅스텐 적층 제조(3D 프린팅)의 과제 및 해결 기술

텅스텐을 적층 제조(3D 프린팅)하는 것은 가능하지만, 성공적인 프린팅을 위해서는 여러 기술적 장벽에 직면해 있습니다. 적절한 3D 프린팅 기술을 선택하기 위해서는 이러한 어려움을 이해하는 것이 중요합니다.

밀도

텅스텐 적층 제조에서 부품 밀도는 중요한 기술적 과제입니다. 텅스텐은 높은 융점과 용융 시 높은 점도 때문에 완전한 치밀화를 달성하기가 매우 어렵습니다. 프린팅 시 투입 에너지가 너무 낮으면 분말이 충분히 용융되지 않아 기공이 남게 됩니다. 반대로 에너지 투입이 너무 높으면 용융 금속의 증발로 인해 기공이 발생하는 등의 문제가 발생합니다. 즉, 밀도를 향상시키는 핵심은 최적의 에너지로 텅스텐을 안정적으로 용융시키는 것입니다.

크랙 생성

텅스텐 적층 제조에서 또 다른 주요 문제는 균열(분할) 발생입니다. 널리 사용되는 금속 3D 프린팅 방식인 LB-PBF(레이저 빔 분말 베드 융합)를 이용한 텅스텐 적층 제조 과정에서, 프린팅 중 레이저에 의한 급속 가열 및 냉각 주기로 인해 재료 내부에 큰 열 응력이 발생하여 균열이 생깁니다. 또한, 출력물 내부에 산소가 침투하면 결정립 경계에 "나노 기공"이라고 불리는 미세한 공극이 형성되어 균열 발생 가능성을 높이는 약점이 됩니다.

이러한 문제를 해결하려면:

• 용융 전에 예열 온도를 높여 온도 구배를 줄입니다.
• 빔 스캔 전략 고려 사항
• 합금 원소 첨가
• 입자 크기 분포가 일정한 분말 사용

다른 해결책들도 검토 중입니다.

또한, EB-PBF(전자빔 분말 베드 융합) 방식을 선택하면 가열 공정(용융 공정 시작 전 분말 베드를 예열하는 공정)으로 인한 온도 구배가 줄어들어 인쇄 중 균열 발생을 감소시킬 수 있습니다.
고출력 전자빔으로 분말을 충분히 녹일 수 있다면 기공을 줄일 수 있어 치밀화 성능이 향상됩니다.

왼쪽 그림은 EB-PBF 방식으로 출력된 텅스텐 부품(15mm 정육면체)의 단면 사진입니다. 단면은 기둥형 미세구조를 보여주며, 이를 통해 고밀도(19.26g/cm³)를 구현할 수 있습니다.³) 눈에 띄는 균열 없이 인쇄되었습니다.

전자빔 금속 3D 프린터(EB-PBF)에 대한 자세한 설명을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 텅스텐용 3D 프린팅 기술의 최근 동향

텅스텐은 그 특성상 기존의 기계 가공이나 주조 방식으로는 가공하기가 매우 어렵습니다. 최근에는 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 3D 프린팅을 이용한 적층 제조(AM)가 주목받고 있습니다. 하지만 2장에서 소개했듯이, 3D 프린팅을 이용한 적층 제조 역시 밀도 증가나 균열 발생과 같은 문제점을 가지고 있습니다.

여기서는 텅스텐 3D 프린팅의 최첨단 기술을 보여주는 두 가지 주제를 소개합니다.

1) 저온 분무 건조 분말 및 저에너지 SLM을 이용한 고성능 텅스텐 부품

2) EB-PBF로 출력된 순수 텅스텐 부품의 다중 모드 결함 이미징

1) 저온 분무 건조 분말 및 저에너지 SLM으로 인한 고성능 텅스텐 부품

참조 :

Zhang, Y., Wang, S., Liu, X., Sun, Z., Liu, H., & Huang, D. (2025). 저온 분무 건조 분말 및 저에너지 SLM을 통한 고성능 텅스텐 부품: 내화 금속 적층 제조의 획기적인 발전. 엔지니어링 보고서, 7:e70426.
https://doi.org/10.1002/eng2.70426

발행물

특히 SLM(선택적 레이저 용융 방식: LB-PBF와 동일한 기술)에서 다음과 같은 문제가 발생합니다.

• 텅스텐은 녹는점이 높은 금속이기 때문에 레이저로 녹이려면 높은 출력/에너지가 필요합니다. 그러나 과도한 에너지는 급격한 가열 및 냉각으로 인해 열 응력을 발생시켜 균열을 일으킬 수 있습니다. 또한, 가열 강도가 너무 높으면 텅스텐 및 합금 성분이 증발하여 재료 품질이 저하될 수 있습니다.
• 텅스텐은 점도가 높고 표면 장력이 강하기 때문에 용융된 금속이 고르게 퍼지지 않습니다. 그 결과, 분말의 일부는 분말 상태로 남아 있고, 가스가 금속 내부로 침투하여 기공을 형성하고 강도를 저하시킵니다.
• 텅스텐 분말 입자의 모양과 크기가 일정하지 않으면 레이저 조사가 고르지 않게 됩니다. 또한, 분말이 원활하게 흐르지 않으면 분말을 펼칠 때 고르지 않은 부분이 생겨납니다. 따라서 레이저에 의한 밀도가 고르지 않게 되어 크기 정확도와 강도에 편차가 발생합니다.

분해능

• 저온 분무 건조 분말

  텅스텐 분말은 일반적으로 플라즈마 구상화와 같은 고온 공정을 통해 제조됩니다. 그러나 이 공정은 비용이 많이 들고, 입자 크기와 형상 제어가 어렵다는 문제가 있습니다. 분말의 유동성과 형상이 좋지 않으면 SLM 공정에서 균일한 용융이 불가능하여 결함이 증가합니다. 따라서 본 연구에서는 텅스텐 분말을 물과 바인더에 혼합하여 점도가 높은 액체(슬러리)를 만들어 분말을 고르게 분산시켰습니다. 이 슬러리를 분사하고 열풍으로 과량의 수분을 건조함으로써 SLM 공정에 적합한 특성을 가진 구형 분말을 얻을 수 있었습니다.

• 저에너지 SLM

  기존의 SLM(선택적 레이저 소결) 방식은 텅스텐을 용융시키기 위해 매우 높은 에너지를 필요로 합니다. 그러나 이로 인해 열 응력, 균열 및 텅스텐의 증발이 발생합니다. 본 연구에서는 에너지 밀도(레이저 강도 및 조건에 의해 결정됨)와 스캐닝 속도(레이저 작동 속도)의 비율이 2 이하가 될 때 온도 구배가 감소하고 균열 발생이 방지됨을 확인했습니다. 본 논문의 조건에 따르면, 이러한 조건에서 균열 발생률이 78% 감소했습니다.

2) EB-PBF로 출력된 순수 텅스텐 부품의 다중 모드 결함 이미징

참조 :

Zhang, H., Carriere, P., Schneberk, D., Peverall, D., Amoako, E., Sprayberry, M., & Horn, T. (2025). 전자빔 분말 베드 융합을 통해 제작된 순수 텅스텐 부품의 다중 모드 결함 이미징. 재료 공학 및 성능 저널, 34(10), 9140-9152.
https://doi.org/10.1007/s11665-025-10918-y

문제

• EB-PBF는 텅스텐 적층 제조에 유망한 기술입니다. 그러나 인쇄 과정에서 발생하는 미세한 결함이나 재료 내부에 불균일한 부분이 존재할 경우 부품 품질을 보장하기 어렵습니다.
• 기존의 고장 탐지 방법으로는 X선 CT와 광학 검사가 있습니다. 하지만 해상도 한계와 텅스텐 내부로의 X선 투과율 부족으로 인해 내부 구조를 정확하게 파악하기 어렵습니다.
• EB-PBF 환경은 고온 진공 상태이므로 센서 융합 및 실시간 제어가 어렵습니다.

분해능

• "전자 이미징", "용융 후 근적외선(NIR) 이미징", "제작 후 X선 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미징", "파괴 금속 조직 이미징"의 4가지 방법을 이용한 평가 결과, "전자 이미징"이 가장 적합한 평가 방법으로 입증되었습니다. 전자 이미징은 재료에서 방출되는 전자를 수집 및 분석하여 복잡한 부품의 품질을 실시간으로 평가할 수 있으며, 인쇄 중 전자 현미경을 사용하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있습니다.

JEOL은 전자 현미경 전문 기술을 통해서만 가능한 후방 산란 전자(BSE) 모니터링 기능을 개발 중입니다. 전자빔에서 방출되는 BSE를 포착하여 용융 표면의 거칠기를 현장에서 관찰할 수 있습니다. 후방 산란 전자를 검출하는 전자 현미경 기술은 전자빔 금속 3D 프린터에서만 가능한 출력물의 품질 관리에 활용됩니다.

* 현재는 Ti64 소재에만 적용 가능합니다. 향후에는 텅스텐과 같은 다른 소재에도 적용할 수 있게 될 것입니다.

4. 텅스텐에 대한 최적의 적층 제조 방법

1. LB-PBF (레이저 분말 베드 융합법)

LP-PBF(레이저 플라즈마 적층 제조) 방식은 매우 얇은(약 20~50μm) 금속 분말층을 사용하여 레이저로 부품 단면을 녹여 부품을 제작하는 방식입니다. 이 공정은 산소 농도가 낮은 아르곤 분위기에서 진행되며, 기존 방식으로는 불가능했던 얇은 텅스텐 부품 생산을 가능하게 합니다. 현재 순수 텅스텐 또는 텅스텐 합금을 사용하여 더욱 복잡한 부품을 제작하는 연구가 진행 중입니다.

LB-PBF 방식으로 출력된 제품의 품질은 레이저 출력 및 스캔 속도, 빔 직경, 분말층 두께, 조사 간격 등의 조건에 크게 좌우됩니다. 또한 레이저가 분말과 접촉하는 정도와 레이저 흡수율도 중요한 요소입니다. 이러한 조건들은 텅스텐 부품의 표면 마감에 큰 영향을 미칩니다. DED 및 EB-PBF 방식과 비교했을 때, LB-PBF는 더 작은 빔 직경을 사용하기 때문에 온도 구배가 커지고 냉각 속도가 빨라집니다. 따라서 온도 구배로 인한 균열 발생 가능성이 높아집니다.

또한, 레이저로 분말을 용융시킬 때 분말이 튀거나 레이저 주변으로 이동하는 현상이 발생합니다. 이를 스패터링(레이저에 의해 용융된 금속과 분말이 튀는 현상)과 데누데이션(레이저 주변의 분말이 날아가는 현상)이라고 합니다. 이러한 현상은 조건에 따라 균열이나 기공과 같은 결함을 유발할 수 있으므로 치밀화에 문제가 발생합니다. 이러한 특성을 이해하고 조건을 적절히 설정함으로써 LB-PBF는 고융점 금속을 사용한 부품 생산도 가능하게 하는 첨단 제조 기술로 활용됩니다.

2. EB-PBF (전자빔 분말층 융합법)

EB-PBF는 레이저 대신 전자빔을 이용하여 분말을 층층이 녹여 인쇄하는 제조 방식입니다. 고에너지 전자빔의 안정적인 조사를 위해 진공 상태에서 진행됩니다. EB-PBF에서는 인쇄 과정 중 분말층을 고온(텅스텐의 경우 1000~1400°C)으로 예열하고, 고속으로 전자빔을 스캔하여 분말을 부분적으로 일시적으로 소결시켜 충전 과정에서 입자 간 반발력을 억제합니다.

LB-PBF 방식과 비교했을 때, EB-PBF 방식으로 출력된 부품은 열응력이 낮습니다. 전자빔이 분말층 전체를 빠르게 통과하면서 국부적인 열 제어가 가능하고, 미세구조 제어가 용이합니다. 따라서 미세구조 안정화 및 균열 제어에 유리합니다. 그러나 텅스텐과 같이 융점이 매우 높은 소재의 경우, 1000°C 이상의 고온 환경에서도 견딜 수 있는 내열 설계와 출력 중 열균열을 방지하기 위한 빔 스캐닝 고려가 필수적입니다. 이러한 소재를 균열 없이 출력하려면 적절하게 설계 및 최적화된 EB-PBF 프린터가 필요합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 전올의 전자빔 금속 3D 프린터는 고온 환경을 견딜 수 있는 독자적인 내열 설계와 텅스텐의 열 균열을 방지하는 빔 스캔 제어 기술을 결합하여 순수 텅스텐 부품을 출력하는 데 성공했습니다. 또한 현재까지 균열 없이 대형 텅스텐 부품을 출력하는 데 성공한 기업은 전올뿐입니다.

5. 결론

텅스텐은 핵융합로, 항공우주, 의료 분야 등에서 핵심 소재로 사용됩니다. 하지만 기존 공정으로는 텅스텐으로 부품을 제조하기가 어려웠습니다. 3D 프린팅을 이용한 적층 제조 기술은 이러한 제약을 극복하고 설계 자유도를 크게 확장하는 획기적인 기술입니다.

반면, LB-PBF 방식은 급속 냉각으로 인한 균열 발생 때문에 치밀화에 한계가 있다는 문제가 있습니다. 이에 대해 EB-PBF(전자빔 분말 베드 융합 방식)는 고온 공정을 통해 온도 구배를 완화시켜 균열 없이 고밀도 프린팅을 가능하게 합니다. 전올의 전자빔 금속 3D 프린터 "JAM-5200EBM"은 텅스텐 가공의 실용화를 위한 유력한 후보로 꼽힙니다.

향후 사용 환경에 적합한 공정 선택과 품질 보증 기술의 발전은 텅스텐 3D 프린팅의 확산을 더욱 가속화할 것입니다.

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JAM-5200EBM 전자빔 금속 AM 기계

당사는 반도체 생산용 전자현미경과 전자빔 리소그래피 시스템에서 축적한 전자빔 기술을 적용하여 전자빔 분말융합(EB-PBF) 금속 5200D 프린터인 "JAM-3EBM"을 개발했습니다.
파우더 베드 퓨전 방식은 다른 금속 3D 프린터 방식보다 밀도와 강도가 높은 금형을 제작할 수 있으며, 복잡한 형상을 고정밀로 성형할 수 있습니다. JAM-5200EBM은 성형 중 불활성 가스를 주입할 필요가 없고, 장수명 음극을 탑재했으며, 고화질 자동 빔 보정 기술을 사용하여 높은 재현성을 보장합니다. JAM-5200EBM은 레이저 프린터로는 성형이 어려운 고융점 금속과 순수 구리의 성형이 가능합니다.

6. 참고

Li, H., Shen, Y., Wu, X., Wang, D., & Yang, Y. (2024). 텅스텐, 텅스텐 합금 및 텅스텐 기반 복합재의 레이저 분말 베드 융합의 발전. 마이크로머신, 15(8), 966.
https://doi.org/10.3390/mi15080966

Howard, L., Parker, GD, & Yu, X.-Y. (2024). 플라즈마 접촉 재료로서 텅스텐 및 합금의 적층 제조의 발전과 과제. 재료, 17(9), 2104.
https://doi.org/10.3390/ma17092104