3D 프린팅의 금속 소재 분야 동향

ㅁ9.jpg

글로벌 3D 프린팅 금속 시장은 2014년도에 미화 1억5620만 달러였으며, 2015년부터 2020년까지 5년간 연평균 31.5%의 성장률을 보이며 미화 7억 7680만 달러에 이를 것으로 전망했다(Markets and Merkets 자료). 주요 금속 소재로는 티타늄합금(titanium alloys), 니켈(nickel), 인코넬(inconel), 스테인리스강(stainless steel), 알루미늄, 코발트 크롬(cobalt chrome), 구리, 금, 은 등이 있다.
최근 개발이 진행되고 있는 3D프린팅의 소재는 금속 분야에 집중되고 있으며, 주로 티타늄합금과 초내열합금 등과 같은 고부가가치 소재가 주로 연구되고 있다.
티타늄으로 항공용 Bracket 부품 제조시 기존 가공법(절삭)으로는 손실되는 원료가 많아 원가 상승의 주요원인이 되지만, 3D프린팅을 적용시 버려지는 원료를 약 1/30로 줄일수 있다. 이에 따라 저비용으로 고품질의 티타늄 분말을 제조하는 기술개발이 지속적으로 요구되고 있다. 금속 소재의 특성상 높은 가격, 가공방법, 소결온도 및 폭발 위험성 등으로 인해 산업용으로 주로 활용되어 개인 용도로의 확산은 상대적으로 느릴 것으로 예상된다. 수지 소재 시장은 이미 미국, 유럽 등 선진국들의 주도하에 선점되어 있으며, 가격 또한 개인용으로 사용될 수 있는 수준으로 내려왔다.


3D프린터용 금속소재 시장 경쟁력


<3D 프린팅 주요 금속소재>

ㅁ10.jpg

자료 : 분말야금기술회보 제5권 제1호, "3D 금속 프린팅기술의 국내외 현황과 과제"

3D프린팅에 원료로 사용되는 금속소재는 적절한 유동성, 낮은 열 전도성, 결합력 등의 일정 물성치를 충족시켜야 하는바, 3D프린팅용 금속소재는 특수성이 있어 개발이 어렵다. 적층 제어에 적절한 유동성을 갖추기 위해 일정 크기의 입도 분포와 형상의 분말이어야 하며, 주변으로 열이 전달되지 않기 위해 열전도성이 낮아야 한다.
알루미늄, 텅스텐 등은 열전도성이 높아 고온의 열을 받으면 주변의 금속분말을 같이 녹여 제어가 어려운 편이다. 3D프린터용 금속분말은 PBF 방식은 구형을 사용하며 제조방식은 그림과 같이 Atomisation으로 제조한다. 제조회사마다 차이가 있지만 레이저를 사용하는 Concept Laser 및 EOS의 경우 35-50㎛를 전자빔을 사용하는 Arcam社는 50-100㎛, MIM을 대체할 초소형부품제작용은 1-5㎛를 사용하는 것으로 알려져 있다.
구상화분말을 제조하는 업체로는 Sandvik, Hoganas,TLS Technik 등이 있으며, 3D프린터에 적합한 분말기준은 입도분포, 유동도, 65% 이상의 tap density, 등방성을 가지는 미세구조, 낮은 산화물 등이 요구된다. 그러나 DED방식은 굳이 구형의 분말을 사용하지 않고 일반 불규칙적인형상을 사용해도 무방하다. 분말제조기술이 난도가 높고, 각 합금마다 적층 조건이 다르기 때문에 3D 프린터에 사용될 수 있는 금속은 많지 않다.
현재 사용되는 금속은 티타늄 및 그 합금, 스테인레스 합금류, 알루미늄 합금, Fe-Cr-Ni 강, 마레에이징강, Inconel초내열합금, 귀금속 등에 제한적으로 사용되고 있다.

ㅁ11.jpg


금속 소재 시장 전망


3D프린터에 사용할 수 있는 금속은 많지 않다. 그 이유는 분말제조기술이 난도가 높고 각 합금마다 적층 조건이 다르기 때문이다. 현재 사용되는 금속은 순타이타늄 및 그합금, 스테인레스 합금류, 알루미늄합금, Fe-Cr-Ni 강, 마레에이징강, Inconel 초내열합금, 귀금속 등에 제한적으로 사용되고 있다.
금속 프린팅 제품의 응용분야는 크게 금형, 치과 및 의료분야, 자동차, 우주항공, 전자기기 등으로 나눌 수 있다. 금형은 사출성형용 금형의 냉각채널에 널리 활용되고 있으며 그 시장 규모도 제일 큰 것으로 알려져 있다. 기존 CNC에 의한 금형의 경우 냉각속도가 차이가 나지만 3D프린터에 의해 제조된 냉각몰드의 경우 복잡한 냉각채널도 구현이 가능하여 냉각속도가 일정하고 사이클 타임도 줄일 수 있다. 사용되는 소재는 주로 공구강이 사용되고 있으나 마르에이징강 및 스테인레스 스틸도 사용된다.
마레이징강(Maraging Steel)은 시리즈 툴링(seriestooling)에 사용되었다. EOS Maraging Steel MS1은 마르텐사이트(martensite) 강화가능 강철로서, 이 강철의 화학적 구조는 US classification 18% Ni Maraging 300, European 1.2709, German X3NiCoMoTi 18-9-5와 일치한다. 이러한 종류의 강철의 특징은 강도가 우수하고 높은 인성을 지닌다는 것이다. 물체들은 구축과정 이후 어렵지 않게 가공할 수 있으며, 또한 추후 50HRC 이상으로 강화될 수 있다. 이들은 또한 우수한 연마성을 지닌다. 이러한 종류의 강철들은 세리 사출 성형(serie injection moulding) 제품에 사용되며 알루미늄 압력 주조(a lu m i n iu m d i ecasting)와 같은 툴링 용도에도 쓰인다. 두 번째 시장은 의료분야이다. 3D프린팅은 이미 의료분야에서 사용되고 있는데, 주로 외과적, 진단적 보조기구들은 만들고 인공 신체부위와 의료제품, 조직엔지니어링, 의료 도구와 장비들의 디자인 등에 두루 쓰이고 있으며, 맞춤형 무릎 임플란트(implant)와 같은 의료제품이 더 만들어지고 있다. 무릎 임플란트(implant)는 직접 금속계 레이저 소결공법(direct metal lasersintering, DMLS)에 의해 만들어진다.
아래 임플란트는 생체적합 코발트크롬 합금으로 만들어졌다. Stryker Orthopaedics (미국 미시간주에 있는 의료기술 업체)는 임플란트의 여러 부위를 하룻밤 새 자동으로 만들 수 있으며, 환자 개개인의 요구에 맞출 수 있다.
자동차 분야는 3D프린팅의 사용량이 적지 아니하며, 전체상업 3D프린팅 서비스의 약 20%를 소비하며 이는 소비재와 전자 분야 다음으로 많은 것으로 나타나고 있다. 현재, 응용 분야는 대형 3D프린터를 사용하여 제품 개발을 위한 고속 프로토타이핑에 국한되고 있지만, 점차 낮아지는 가격과(개인용 3D프린터의 가격대는 수천달러 수준) 분야의 성숙해져 가는 성숙도(기계 제작, CAD 소프트웨어 개발자, 디자이너, 생산자, 수집기 사이트 & 유저)으로 보아 3D프린팅은 점차 주류로 자리 잡을 것으로 전망된다.

ㅁ12.jpg


다중 소재, 우주항공 분야 통해 활발한 R&D


Objet Ltd.는 2012년 2월 12일부터 15일 기간 동안 샌디에이고에서 열린 Solid- Works World에서 StreeScooter의 자동차 대시보드를 실물 크기의 3D프린터로 구현한 것을 선보였다. 미국에서 첫선을 보인 이 대시보드는 환전 조립된 프로토타입으로서 다중소재 프린팅 방식으로 만들어졌다. 이 다중 소재 중엔 ABS와 비슷한 Objet의 digitalmaterial도 있었으며, 디스플레이 스크린과 대시보드의 외관과 느낌, 기능을 모방하기 위해 다른 세부 사항들을 구현해냈다.
특히 우주항공 분야는 Airbus, GE 등에서 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 터빈 브레이드, 연소기 부품, 각종 브라켓, 연료 노즐 등이 보고되고 있으며 주로 사용하는소재는 Inconel 초내열합금 및 타이타늄 등이 주로 사용된다. 연료분사장치는 터빈 브레이드를 작동시키기 위한 연료공급을 담당하는 것으로 1300℃의 가혹한 조건에서 사용된다. 기존에는 일반적인 브레이징 및 용접 등 30여 개의 공정을 거쳐 완성되는 부품인데 3D프린터로 제조하게 되면공정이 대폭 축소되고 25%의 경량화 및 내구성이 4배 증가한다고 보고하고 있다.

본고는 [첨단 신소재·부품 산업 시장동향과 국내외 응용산업분석 및 기술개발 동향-IRS글로벌] 보고서를 요약, 정리한 것이다.

저작권자 © INDUSTRY TODAY 무단전재 및 재배포 금지