혁신적인 제조 기술, 금속 3D 프린팅

3D 프린팅은 제조업에서 혁신적인 기술로 주목받고 있습니다. 기존 제조 방식보다 빠르고 효율적인 제작이 가능하며, 복잡한 형상도 손쉽게 구현할 수 있다는 장점이 있습니다. 과거에는 제한적인 소재만 사용이 가능했지만, 현재는 수십 가지 이상의 소재를 활용하여 다양한 제품을 제작할 수 있습니다.

 

금속 3D 프린팅

금속 소재도 예외가 아닙니다. 기존에는 주조, 금형, CNC 가공 등의 방식으로 이루어져 왔습니다. 시제품을 제작하는 과정에서는 정밀도가 떨어지는 주조나 초기비용이 매우 높은 금형보다는 주로 CNC를 선호해 왔지만, CNC 역시 언더컷 구조로부터 자유롭지는 못하다는 단점을 갖고 있습니다.

기존 방식으로 금속가공이 불가능하거나 어려운 형상을 제작할 때에는 금속 3D 프린팅이 해답이 될 수 있습니다. 금속 3D 프린팅은 한 레이어씩 금속 분말을 레이저로 소성시켜 쌓아 올리는 방식(PBF; Powder Bed Fusion)이기 때문에, 제품에 언더컷 구조가 있더라도 구현할 수 있으며 내부비움 구조를 통해 경량화도 가능하기 때문입니다.

 

금속 3D 프린팅 기술은 다양한 형상을 구현하고, 빠르고 효율적인 제작이 가능합니다. 그럼 금속 3D 프린터로 제작이 가능한 소재는 어떤 것들이 있을까요? 각 소재별 특징을 확인해 보겠습니다.

 

금속 프린팅 소재

1) 알루미늄 합금 (Aluminium alloy, AlSi10Mg)

알루미늄(AlSi10Mg)은 강도, 가벼움 및 우수한 열 특성으로 인해 금속 3D 프린팅에 널리 사용됩니다.

알루미늄 합금은 높은 가공성과 연성, 우수한 강도 대 중량비를 자랑합니다. 또한, 열전도율, 전기전도율, 밀도가 낮고 내후성이 우수해 항공우주, 자동차, 전자기기 등의 산업에서 다양하게 활용됩니다. 비교적 저렴하고, 재활용이 용이하여 환경친화적인 소재로도 주목받고 있으며, 다양한 후처리 공정을 통해 표면 품질을 향상시킬 수 있습니다. 

 

2) 마레이징 강(Maraging Steel)

마레이징 강은 강도가 우수하고 높은 인성을 지니고 있습니다.

마레이징 강은 고온에서 우수한 기계적 성질을 유지하며, 열처리를 통해 더욱 강화될 수 있습니다. 3D 프린팅 출력 과정 이후 어렵지 않게 추가 가공할 수 있으며, 추후 열처리를 통해 50HRC 이상으로 강화될 수 있습니다. 우수한 연마성을 지녀 사출 성형 제품이나 알루미늄 압력 주조와 같은 툴링 용도로도 쓰입니다. 고속 회전 부품, 항공기 부품, 스포츠 장비 등 고강도와 내구성이 필요한 다양한 분야에서 사용됩니다.

 

3) 스테인리스(Stainless, SUS)

뛰어난 내식성이 특징인 스테인리스는 대표적인 금속 소재 중 하나입니다.

흔히 ‘SUS(서스)’라고 불리며 기계 부품, 건축 자재, 생활용품, 의료 기구 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 탄소 함유량 1.2% 이하, 크롬 함유량 10.5% 이상의 금속 소재로, 함유된 크롬이 산화되어 형성되는 얇은 피막 덕분에 내식성이 우수합니다.

스테인리스는 내식성 외에도 강도, 내열성, 위생적 특성 등으로 인해 음식 및 음료 산업, 화학 처리 시설, 해양 구조물 등에서도 널리 사용됩니다. 다양한 합금 형태로 제공되어 특정 용도에 맞는 특성을 최적화할 수 있습니다.

 

4) 티타늄(Titanium)

티타늄은 중량 대비 강도 비율이 높지만 재료비와 가공비도 많이 들기 때문에, CNC 가공보다 3D 프린팅에 더욱 적합합니다.

적층 조형을 통해 낭비되는 재료 없이 요구 형상을 제작할 수 있습니다. 일반적으로 티타늄 합금 및 순수 티타늄(CP Ti로 알려짐)과 같은 2가지 종류로 프린팅됩니다. 티타늄 및 티타늄 기반 합금은 스테인리스강보다 높은 기계적 강도, 높은 중량 대비 강도 및 내식성을 제공합니다.

이러한 특성으로 인해 항공기 및 고성능 차량과 같이 중량 대비 강도가 높은 산업 분야에 널리 사용됩니다. 대표적으로 항공 엔진, 인공 관절, 의료 도구 등이 있습니다. 추가로 순수 티타늄은 대부분의 티타늄 합금만큼 강하지는 않지만 생체 적합성이 높기 때문에 의료 분야에서도 자주 볼 수 있습니다.

 

5) 코발트-크롬(Cobalt-Chrome)

Cobalt-Chrome 합금은 높은 경도와 연성, 그리고 내식성을 갖고 있습니다.

Cobalt-Chrome 합금은 그 자체로 경도가 매우 강해서 절삭가공 방식으로 성형을 하는 데에는 한계가 있습니다. 하지만, 고온 내구성과 마모 저항성이 뛰어나기 때문에 항공우주, 의료기기, 터빈 블레이드 등 고온과 고강도가 요구되는 산업 분야에서 널리 사용됩니다.

또한 높은 생체 적합성으로 인해 표준 메디컬 임플란트 및 덴탈 임플란트 및 보철물에 활용되는 합금 재료 중 하나입니다. 열에 대한 저항력이 매우 강하여, 제트 엔진과 같은 고온의 환경에서 사용하기에도 적합합니다.

 

6) 인코넬(Inconel)

인코넬은 높은 내식성, 내산화성, 고온에서의 강도, 그리고 크리프 저항성이 특징인 ‘니켈-크롬계 초합금’입니다.

최대 약 1,000°C의 고온을 견딜 수 있으며 부식성이 높은 환경을 견딜 수 있기 때문에 가스 터빈부터 심해 시추에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 고온 환경에서도 구조적 강도와 안정성을 유지하며, 엔진 부품, 화학 처리 장비, 해양 구조물 등에서 활용됩니다.

인코넬의 또 다른 장점은 우수한 피로 저항성을 가지고 있어 반복적인 열 사이클에서도 성능을 유지할 수 있다는 점입니다. 항공 우주 산업처럼 높은 내열성과 내식성이 필요한 경우 인코넬이 가장 먼저 고려되어야 할 합금입니다.

 

마치며

위에서 설명한 다양한 금속 3D 프린팅 소재들은 각각의 독특한 특성과 장점을 가지고 있어, 다양한 산업 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다. 알루미늄 합금의 경량성과 높은 열전도율, 마레이징 강의 높은 강도와 인성, 스테인리스의 우수한 내식성, 티타늄의 탁월한 중량 대비 강도, 코발트-크롬의 높은 경도와 생체 적합성, 인코넬의 우수한 내열성과 내식성 등 각 소재들은 특정 용도와 환경에 최적화된 선택지로 자리 잡고 있습니다.

3D 프린팅 기술의 발전과 함께 이러한 금속 소재들의 응용 범위는 더욱 확대되고 있으며, 이를 통해 제조업의 혁신을 이끌어가고 있습니다. 한양3D팩토리는 최신 3D 프린팅 기술과 다양한 소재를 활용하여 고객의 요구에 맞춘 최적의 솔루션을 제공합니다. 고품질의 제품을 제작하고자 한다면 언제든지 한양3D팩토리와 상담해 보세요. 최적의 기술과 전문성을 바탕으로 고객의 기대를 뛰어넘는 결과를 제공해 드리겠습니다.