금속 3D 프린터란 무엇인가? : 각 방식의 차이점과 특징에 대한 포괄적인 가이드

기존의 금속 가공 방식에 비해 금속 3D 프린터는 복잡한 형상을 제작할 수 있으며, 재료 손실 감소, 제작 기간 단축 등 다양한 장점을 가지고 있어 실용화가 확대되고 있습니다. 이 칼럼에서는 금속 3D 프린터의 기본 원리와 주요 제작 방식을 자세히 살펴보겠습니다.

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  1. 금속 3D 프린터(적층 제조 기계)란 무엇인가요?
     1. 금속 3D 프린터의 역사
     2. 기존 금속 가공 방법과 금속 3D 프린터 비교
  2. 금속 3D 프린터의 종류(제조방법)
     1. 1.PBF(파우더베드융합)
     2. 1-1. Powder Bed Fusion에서 레이저와 전자빔의 비교
     3. 2. DED (지향성 에너지 증착)
     4. 3. FDM (Fused Deposition Modeling)
     5. 4.바인더 제팅
  3. 금속 3D 프린터 부품
     1. 구리 3D 프린팅
     2. 티타늄 합금 3D 프린팅
  4. JEOL JAM-5200EBM 기능 및 사양

금속 3D 프린터(적층 제조 기계)란 무엇인가요?

금속 3D 프린터는 레이저 또는 전자 빔으로 금속 분말 또는 금속 와이어를 재료로 녹여 3D CAD 데이터에 따라 한 번에 한 층씩 쌓아 3D 모양을 성형하는 장치입니다. 금속 가공 방법에는 절단, 주조, 단조, 판금 가공, 압착, 분말 야금 및 접합이 있습니다. 금속 3D 프린터는 새로운 공작 기계라고 할 수 있습니다.

금속 3D 프린터의 역사

금속 3D 프린터의 개발은 1980년대로 거슬러 올라갑니다. 1987년 미국의 Chuck Hull이 스테레오리소그래피를 사용하여 최초의 상업용 3D 프린터 "SLA-1"을 개발했습니다. 이 방법은 수지를 재료로 사용합니다. 그런 다음 레이저로 금속 분말을 녹이는 기술이 개발되었고 1990년대에 상업용 금속 3D 프린터가 등장했습니다. 2013년 오바마 대통령의 연방 연설 이후 금속 3D 프린터는 전 세계적으로 주목을 받기 시작했습니다. 미국, 유럽, 중국 및 기타 국가에서 개발 프로젝트가 시작되었습니다. 또한 일본에서는 2014년에 미래 적층 제조 기술 연구 협회(TRAFAM)가 설립되어 금속 3D 프린터를 포함한 다양한 3D 프린터 프로젝트가 실행되었습니다.

기존 금속 가공 방법과 금속 3D 프린터 비교

3D 모델링 객체를 만들기 위해 레이어를 하나씩 쌓아 올리는 과정을 "적층 제조"(AM)라고 합니다. AM은 기존 금속 가공 방법과 비교하여 다음과 같은 특징이 있습니다.

기존의 금속 가공 방법에는 각각 장단점이 있는 것처럼 금속 3D 프린터에는 다음과 같은 문제점이 있습니다.

금속 3D 프린터의 종류(제조방법)

금속 3D 프린터는 제조 방식에 따라 여러 유형으로 분류할 수 있습니다. 먼저, 어떤 유형의 제조 방식이 있으며 각 방식의 특징은 무엇인지 살펴보겠습니다.

1.PBF(파우더베드융합)

파우더 베드 퓨전(Powder Bed Fusion)은 금속 3D 프린터 중 가장 널리 사용되는 방식으로, 전 세계적으로 널리 사용되고 있습니다. 금속 분말이 고르게 분산된 파우더 베드를 레이저 또는 전자빔 열원으로 선택적으로 스캐닝합니다. 용융과 응고를 반복하며, 한 겹씩 층을 쌓아 원하는 형상을 형성합니다. 제작이 완료되면 주변 분말을 제거하고 완성된 조형물을 꺼냅니다. 제거된 분말은 체질 후 다음 제작에 재사용됩니다.

파우더 베드 퓨전은 다른 방법보다 더 높은 정확도와 재현성으로 제조가 가능하고 높은 밀도와 강도의 부품을 생산할 수 있기 때문에 항공우주 분야뿐만 아니라 의료 분야에서도 우수한 실적을 보이고 있습니다.

파우더 베드 퓨전에는 레이저와 전자빔이라는 두 가지 유형의 가열 소스가 있습니다. 각각 고유한 특성이 있으며, 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.

【주요 제조사】
・레이저: EOS, 3D 시스템, Nikon SLM Solutions, Colibrium Additive(구 Concept Laser), Matsuura Machinery Corporation, Sodick Co., Ltd.
・전자빔 : 콜리브리엄 애디티브(구 아람), 미쓰비시 전기 주식회사, JEOL 주식회사

Powder Bed Fusion에서의 레이저와 전자빔의 비교

앞서 설명한 분말층 융합(PBF)은 금속 분말을 용융시켜 제조합니다. 레이저와 전자빔을 가열원으로 사용합니다. 주요 차이점은 다음과 같습니다.

• 위의 내용은 일반적인 비교입니다. 레이저 시스템의 사양은 출력 전력과 설치된 레이저 수, 장비 제조업체의 모델에 따라 크게 다릅니다.

이제 레이저와 전자빔 방법의 장단점을 구체적으로 살펴보겠습니다.

레이저 파우더 베드 퓨전의 장점

먼저, 레이저 방법의 장점에 대해 살펴보겠습니다.

레이저 빔의 높은 집광 능력은 복잡한 내부 구조를 가진 미세 형상 및 부품의 고정밀 제작을 가능하게 합니다. 제작 후 표면이 비교적 매끄러워 후가공이 필요 없다는 점이 이 방식의 장점입니다. 또한, 전자빔 금속 3D 프린터에 비해 장비가 비교적 작고 공간 절약적이라는 장점도 있습니다. 또한, 전 세계적으로 널리 사용되고 있어 제조 기록과 실제 적용 사례가 풍부한 소재가 많다는 점도 이 방식의 장점입니다.

레이저 파우더 베드 퓨전의 단점

한 가지 단점은 균일한 예열이 어려워 잔류 응력이 축적되는 경향이 있다는 것입니다. 금속 재질 및 형상에 따라 변형이나 균열이 발생할 수 있습니다. 따라서 내부 응력을 완화하기 위해 제조 후 열처리를 하는 경우가 많습니다.

또한, 출력 전력이 전자빔 소스보다 약간 낮고 열 입력 효율이 낮기 때문에 제조 속도가 상대적으로 느립니다. 따라서 대형 부품이나 대량 생산에는 시간이 더 오래 걸립니다. 여러 개의 레이저를 사용하는 멀티 레이저 방식은 대형 부품을 생산할 수 있지만, 공정을 완료하는 데 며칠이 걸립니다.

전자빔 분말층 융합의 장점

다음으로 전자빔 3D 금속 프린터를 살펴보겠습니다.

전자빔 3D 프린터는 용융 전 파우더 베드 전체 표면을 전자빔으로 고속 스캔하여 단시간에 수백도에서 수천도까지 예열할 수 있습니다. 열간 공정(전자빔 예열)을 통해 잔류 응력을 억제하여 조형물의 변형 및 균열 발생을 줄일 수 있습니다. 또한, 레이저 방식보다 필요한 지지 재료가 적다는 장점이 있습니다. 전자빔은 레이저보다 출력 전력과 열에너지 변환 효율이 높아 제조 속도가 빨라 대형 부품이나 대량 생산에 유리합니다. 또한, 전자빔 방식은 진공 상태에서 제조되므로 산소와 수분의 영향을 억제할 수 있어 티타늄 합금과 같은 활성 금속 제조에 적합합니다. 또한, 텅스텐, 몰리브덴과 같은 고융점 금속 및 순수 구리를 포함하여 파이버 레이저의 흡수율이 낮은 재료에도 적합합니다.

전자빔 분말층 융합의 단점

반면, 전자빔 금속 프린터에도 어려움은 있습니다.

우선, 전자빔 방식은 예열 과정에서 조형물 주변의 분말이 가볍게 결합되기 때문에 제작 후 임시 소결된 분말을 제거하기 위해 블라스팅(Blasting) 작업이 필요합니다. 제작 대상물이 내부 채널이 있거나 내부 구조가 복잡한 경우, 블라스팅으로 임시 소결된 분말을 제거하기 어렵습니다. 따라서 복잡한 배관이 있는 금형 제작에는 적합하지 않습니다.

레이저 방식보다 금속 분말의 직경이 크기 때문에 미세 형상의 정확도와 표면 거칠기가 레이저 방식이 약간 더 우수합니다.

또한 레이저 시스템에 비해 장비 제조업체가 많지 않고, 성형된 소재의 수도 아직 제한적이다. 앞으로 사용할 수 있는 소재의 확대가 기대된다.

2. DED (지향성 에너지 증착)

DED(Directed Energy Deposition)는 레이저나 전자빔 또는 아크 방전 에너지를 연속적으로 공급하여 금속 분말과 금속 와이어를 녹여 증착하는 제조 방법입니다.

다른 방법에 비해 제조 속도가 빠르고 더 큰 부품을 성형할 수 있다는 장점이 있습니다.

반면, 파우더 베드 퓨전은 치수 정확도와 표면 거칠기 측면에서 일반적으로 우수합니다. 하지만 성형 형상이 제한적이기 때문에, 이 방법은 정밀 부품이나 복잡한 형상의 부품 제작에는 적합하지 않습니다.

이 방법은 노즐에서 재료를 오버레이처럼 증착하는 방식이기 때문에 다양한 종류의 금속이나 부품에 모양을 추가할 수 있습니다. 부품 수리에 널리 사용됩니다. 또한, 장비에 따라 공급되는 금속을 변경하여 제작 과정에서 다양한 종류의 금속을 성형할 수도 있습니다.

【주요 제조사】
・레이저(파우더): DMG MORI CO., Ltd., NIDEC MACHINEOOL CORPORATION, Nikon Corporation, Shibaura Machine Co., Ltd.
・레이저(와이어) : 미쓰비시전기 주식회사, 멜티오
・Arc(와이어) : WAAM3D Ltd.
・전자빔(와이어) : Sciaky Inc., pro-beam

3. FDM (Fused Deposition Modeling)

이 원리는 일반적인 레진 3D 프린터와 동일합니다. 제조는 재료를 압출하는 것이므로 재료 압출(MEX) 방식이라고도 합니다. 열가소성 수지 재료를 바인더(결합제)로 혼합한 금속 분말의 필라멘트를 열에 의해 용융시켜 노즐을 통해 압출하여 층을 형성합니다. 성형 후 필라멘트는 바인더를 제거하기 위한 탈지 공정을 거친 후 용광로에서 소결합니다. 소결 과정에서 부피가 약 20% 정도 줄어들기 때문에 이 수축을 감안한 크기로 제조해야 합니다. 재료 손실이 적고 금속 분말을 다루기 쉽습니다. 다른 방식에 비해 비용이 저렴하고 조작이 간편하여 프로토타입 및 소량 생산에 적합하지만 밀도에 몇 가지 문제가 있습니다.

【주요 제조업체】
Stratasys, Nano Dimension Ltd. (구 Desktop Metal Inc.)

4.바인더 제팅

도포된 금속 분말은 액상 바인더를 노즐을 통해 선택적으로 분사하는 동안 층층이 응고됩니다. FDM과 유사하게, 바인더는 탈지 과정에서 제거되고, 조형물은 용광로에서 소결됩니다. 소결 과정에서 부피가 약 20% 감소합니다. 이 방식은 제조 과정이나 지지체에 고온의 열원이 필요하지 않습니다. 파우더 베드 퓨전과 유사하게, 사용되지 않은 금속 분말은 재사용할 수 있습니다. 높은 처리량 덕분에 대량 생산에 적합할 가능성이 높습니다. 하지만 밀도와 강도는 파우더 베드 퓨전보다 낮습니다. 이러한 점들이 실제 부품에 적용할 때의 어려움입니다. 이 방식은 주로 미세 형상의 소형 부품 제조에 적합합니다.

【주요 제조업체】
Nano Dimension(구 Desktop Metal Inc.), Markforged(구 Digital Metal), Hewlett Packard

이외에도 초음파 증착법(금속 분말을 노즐을 통해 고속으로 분사하여 금속 입자를 결합시키는 방법)과 액체 금속 증착법(잉크젯 방법의 금속 버전. 금속 입자 현탁액을 고온에서 분사하여 결합시켜 증착시키는 방법) 등의 방법이 있습니다.

금속 3D 프린터 부품

금속 3D 프린터로 가공할 수 있는 금속에는 여러 종류가 있습니다. 항공우주, 에너지, 전자, 의료 기기 등 분야에 따라 각 응용 분야에 필요한 특정 특성을 기반으로 재료가 선택됩니다. 이 섹션에서는 대표적인 금속 3D 프린팅 재료의 주요 특성과 응용 분야 사례를 소개합니다.

구리 3D 프린팅

티타늄 합금 3D 프린팅

JEOL JAM-5200EBM 기능 및 사양

마지막으로 전자빔 분말층 융합 방식의 금속 5200D 프린터인 JEOL의 JAM-3EBM을 소개해드리겠습니다.

JAM-5200EBM은 높은 생산 효율을 실현하기 위해 고출력 6kW 전자빔 소스를 장착했습니다. 장수명 음극, 전자빔 자동 보정 기능 및 분말 분산 방지 시스템을 채택한 JAM-5200EBM은 장기간 안정적인 전자빔 조사로 재현 가능한 생산을 보장합니다.

금속 3D 프린터를 도입할 계획이 있거나, 자신의 필요에 가장 적합한 구현 방법을 찾고 계신다면, 상담을 위해 저희에게 연락 주시기 바랍니다.

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