전자빔 용융을 이용한 적층 제조로 소재 개발의 혁명
 －천년에 걸친 유산에서 출발

인터뷰 10

치바 아키히코
토호쿠대학 재료연구소 변형가공 교수

전자빔 용융을 이용한 적층 제조로 소재 개발의 혁명

AM Machine을 사용하여 금속 부품을 생산하는 적층 제조 기술. 강도와 신뢰성이 요구되는 항공기 및 로켓 부품에 혁명을 일으킬 것으로 기대된다. 일본의 금속 적층 제조 기술을 선도하고 있는 도호쿠 대학 재료 연구소의 치바 아키히코 교수에게 이 기술의 잠재력에 대해 물었다.

새로운 금속 가공의 탄생

인류는 이것으로 또 다른 돌파구를 가질 수 있습니다. AI(인공지능)가 아니라 금속의 적층가공 기술이다.

적층 제조는 소위 3D 프린터(또는 AM 머신)를 의미합니다. 플라스틱을 사용하기 위해 1980년대 후반에 탄생했습니다. 하지만 2000년대에는 금속을 이용한 적층가공을 가능하게 하는 장비도 등장했다.
"전자현미경으로 제품을 보니 투명한 단결정이 형성된 것을 볼 수 있었어요. 새로운 금속가공이라고 할 수 있죠. 관심이 많았어요."

그 교수는 전자빔을 이용한 적층 제조를 처음 보았을 때를 회상합니다. 원래 적층가공은 프로토타입을 쉽게 제작할 수 있는 가공기술로 여겨졌다. 하지만 크리스탈이 아름답게 늘어서 있다는 것은 그만큼 충분한 강도를 갖고 있다는 뜻이다. 그러면 적층가공은 완제품의 금속가공기술로 간주될 수 있을 것이다.

이 교수는 금속재료 개발의 선구자로서 금속의 구조를 '소형화'하고 원소의 불균일성을 제거해 강도를 높이는 연구에 매진하고 있다. 또한 인공 관절이나 임플란트에 적합한 금속 재료를 계속 찾고 있습니다.

"우리는 금속 원소를 서로 섞어 녹이고 굳히고 가열하고 단조합니다. 이것이 바로 신소재 개발의 의미입니다"라고 그는 자신의 연구를 정의합니다.

상온에서 쉽게 변형되지 않을 정도로 강하면서도 녹여서 틀에 붓고 자르고 굽혀 다양한 형태로 가공할 수 있다. 또한 나무처럼 썩지 않습니다. 금속은 이상적인 산업 원료입니다. 역사가 시작된 이래 사람들은 금속을 가공하여 많은 발명을 해왔습니다. 금속은 무기와 성물을 시작으로 건축 자재, 자동차 부품, 컴퓨터, 항공기 부품에 광범위하게 사용되었습니다. 강도를 높이는 재료의 개발과 가공의 효율성과 정밀도를 높이는 가공기술의 발전은 새로운 발명의 토대가 되었고, 이는 새로운 요구를 만들어내고 다음 발명을 촉발했습니다.

현재 시장이 가장 기대하는 것은 '경도'다. 금속 소재는 무겁고 단단한 사용에도 견딜 수 있는 강도를 가지고 있어 절대적인 신뢰성을 제공할 것으로 기대됩니다. 제트 엔진의 연료 분사 노즐과 터빈 블레이드가 이에 대한 가장 좋은 예입니다.

"경질재료에 대한 시장수요는 매우 크다. 그리고 그에 상응하는 경도를 달성할 수 있다. 그러나 경질의 환봉이나 주괴를 생산했다고 해서 만족할 수는 없다. 그것을 부품으로 가공할 수 있을 때만이 실용화할 수 있다. 그러나 때로는 재료가 너무 단단하여 기계가공이 불가능한 경우가 있다. 재료 개발에서는 구성뿐만 아니라 후속 가공 과정도 고려해야 한다"고 말했다. 예를 들어, 티타늄은 강철보다 강하고 강철의 절반 정도의 질량을 가지므로 항공 우주 분야에서 이상적인 소재 중 하나입니다. 그러나 고온에서 다양한 원소와 반응하기 쉽기 때문에 단조 및 용접에는 특별한 공정이 필요합니다. 녹은 티타늄을 산소와 질소가 차단된 환경에서 몰드에 붓거나, 불가능할 경우 XNUMX배 이상의 두께로 몰드에 붓고 원하는 두께로 깎는다. 당연히 제조원가가 올라갑니다.

교수는 "티타늄 때문에 고민이 많았다"고 말했다. 그는 3D 프린터(AM Machine)가 성형 공정에 수반되는 노동력을 줄일 수 있기를 바랐습니다.

기대에서 자신감으로
 "전자빔이 그것을 가능하게 합니다"

하지만 3년대 초반 그가 처음 본 2000D 프린터(AM Machine)는 완전히 실망스러웠다.

"금속가루를 레이저로 조사하여 성형하는 방식이었습니다. 그런데 완성된 부품을 보니 강도가 너무 약하고 프로토타이핑용으로는 괜찮았지만 제품에 사용할 수 있기까지 오랜 시간이 걸렸습니다."

당시 사용한 헤드는 이산화탄소 레이저였다. 파장이 더 길기 때문에 알루미늄, 구리, 티타늄과 같은 금속 표면에서 반사되어 용융이 불충분합니다. 고온 처리 중 산소 및 기타 물질과의 반응도 열화로 이어지는 것으로 추정되었습니다.

몇 년 후 같은 학술회의에 참석한 회사에서 전자빔을 이용한 적층가공법을 소개받았다. 교수는 '전자빔'이라는 단어에 날카롭게 반응했다.

가능성에 매료된 교수는 장비를 구입하고 "완전히 새로운 금속 가공"의 재료 특성에 대해 철저히 연구했습니다.

그 결과, 기존의 가공 방법에 비해 열등한 것이 아니라, 다른 가공 방법으로는 달성할 수 없는 이점이 있음이 분명해졌습니다. 그것은 "물질 분포의 균질성"이었습니다.

일반적으로 합금을 만들 때 금속을 함께 녹인 다음 냉각하여 잉곳을 만듭니다. 이 냉각 과정에서 무거운 요소는 바닥으로 가라앉고 가벼운 요소는 위로 모입니다. 이와 같이 잉곳에서 재료의 불균일성(=편석)이 발생한다. 재료가 불균일하면 강도와 같은 특성도 불균일합니다. 이것은 작은 잉곳의 경우 문제가 되지 않을 수 있지만 측면이 수 미터인 큰 잉곳의 경우 응고하는 데 시간이 걸리고 편석이 무시할 수 없습니다. 그러나 이러한 불균일성은 분말이 그 자리에서 용융되어 형성되는 적층가공에서는 발생할 수 없다.

또한 주물에서 틀에 붓는 경우 틀에 가까운 부분은 빠르게 냉각되고 멀리 있는 부분은 천천히 경화됩니다. 이 경우 중앙에 공동이 형성될 수 있습니다.
"이것은 일반적으로 치명적인 결함이지만 피할 수 없기 때문에 어떻게든 이 문제를 해결한 역사가 있습니다. 그러나 제트 엔진 터빈과 같은 안전이 중요한 부품에는 허용할 수 없습니다. 적층 제조를 사용하면 이는 피했다."

강도 테스트에 따르면 적층 가공으로 제조된 부품은 단조 부품보다 더 강한 것으로 나타났습니다. 단조 부품은 주형에 주조된 다음 강도를 높이기 위해 더 두들기거나 가열합니다. 도전은 제조에 필요한 시간과 비용이지만 "과학 기술은 항상 더 나은 방향으로 발전해 왔다. 언젠가는 이 문제가 해결될 것이라는 큰 희망이 있다"고 그는 희망했다.

전자빔 노하우를 보유한 JEOL과 공동개발

게시일: 2021년 XNUMX월

전자빔 금속 AM 기계