적층 제조의 구형 분말

1 소개

적층 제조 기술(적층 제조 기술, AM) 또는 3D 프린팅(3DP)은 3차원 CAD 데이터를 기반으로 층별 재료 축적을 통해 고체 부품을 제조하는 기술입니다.

3D 프린팅 기술의 역사적 발전은 지속적인 발전과 확장의 과정입니다. 초기의 신속한 프로토타입 제작부터 오늘날의 광범위한 응용 분야까지 3D 프린팅 기술은 보석 디자인, 신발 디자인 및 제조, 산업 디자인, 건축 디자인, 엔지니어링 설계 및 건설, 자동차 설계 및 제조, 항공 우주, 치과 및 기타 의료 분야와 같은 디자인 및 제조 분야에서 사용되었습니다.

그림 1 3D 프린팅 기술이 광범위하게 사용되고 있는 분야

2 적층 제조 기술과 역사적 발전

3D 프린팅이라고도 하는 적층 제조(AM)는 재료를 한 층씩 쌓아 올려 3차원 개체를 직접 제작하는 첨단 제조 기술입니다. 전통적인 감산 제조(예: 절삭)와 적층 제조(예: 주조)가 다른 적층 제조는 금형이나 복잡한 툴링이 필요 없이 "이산 적층" 원리를 기반으로 하며, 디지털 모델을 직접 기반으로 제조를 완료할 수 있고, 설계의 자유도가 높고, 재료 활용도가 높으며, 복잡한 구조를 신속하게 맞춤화할 수 있는 등 여러 가지 중요한 장점을 가지고 있습니다.

적층 제조(AM) 기술은 특히 기존 공정으로는 성형하기 어려운 고도로 복잡한 부품의 제조에 적합하며 낮은 생산성, 긴 리드 타임, 높은 비용 등 기존 제조의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있습니다. 그물에 가까운 형상 기능을 통해 설계 제약을 극복하고 복잡한 형상(예: 내부 러너, 얇은 벽의 부품)을 직접 제작하여 부품 수와 조립 요구 사항을 크게 줄이면서 성능 최적화(예: 경량 설계)를 달성할 수 있다는 것이 핵심 장점입니다. 또한 적층 제조는 신속한 반복 '설계-실패-수정' 사이클을 지원하여 제품 개발 주기를 획기적으로 단축하는 동시에 단종 또는 단종 부품을 경제적으로 생산할 수 있습니다. 이 기술은 정밀한 층별 재료 적층을 통해 재료 낭비를 기존 공정의 10% 미만으로 줄여(바이플라이 비율 최적화) 항공우주 및 원자력 추진과 같은 하이엔드 애플리케이션에 효율적이고 유연한 제조 솔루션을 제공하는 동시에 비용을 절감할 수 있습니다.

그림 2 항공우주 구조물을 위해 개발된 새로운 복합 적층 제조 기술

적층 제조 기술은 성형 원리와 재료 특성에 따라 다양한 유형으로 나눌 수 있으며, 주로 분말 베드 융합(SLM/EBM 등), 재료 압출( FDM 등), 광경화( SLA/DLP 등), 지향성 에너지 증착(DED) 등이 있습니다. 핵심 원리는 디지털 모델링을 통해 재료를 층별로 형성하는 것으로, 먼저 CAD(컴퓨터 지원 설계)를 사용하여 3차원 모델을 구축하고 이를 2차원 층 데이터로 슬라이스한 다음 장비가 층 데이터에 따라 에너지원(예: 레이저, 전자빔) 또는 압출 장치를 제어하여 분말을 선택적으로 용융하고 수지를 경화하거나 열가소성 재료를 압출한 다음 이를 층별로 쌓아서 개체를 형성하는 방식입니다. 예를 들어 분말 금속 베드 용융(SLM) 기술은 고에너지 레이저를 통해 금속 분말을 정밀하게 녹여 층을 쌓아 고밀도 부품을 만들고, 광경화 기술(SLA)은 UV 레이저로 액체 감광성 수지를 스캔하고 경화시켜 미세한 구조물을 형성합니다. 프린팅 후에는 파우더 제거, 열처리 또는 표면 연마와 같은 후처리를 거쳐 최종적으로 성능 요구 사항을 충족하는 완제품을 얻어야 합니다. 전체 공정에 금형이 필요하지 않으므로 복잡한 기하학적 구조의 자유로운 설계와 효율적인 제조를 지원합니다.

표 1 EBM과 SLM 비교

적층 제조(AM) 공정은 설계 및 전처리 단계부터 시작하여 부품 구조 분석, 모델 검증, 빌드 레이아웃 계획에 이르는 모든 준비 과정을 포함하며, 서포트 생성 및 모델 슬라이싱 경로의 최적화가 후속 제조의 정확성과 효율성을 직접적으로 결정합니다. 재료 설계는 금속 재료의 특성과 긴밀하게 조정되어야 하며, 예를 들어 파우더의 입자 크기 분포와 유동성은 파우더 확산의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 제작 후 후처리에는 분말 제거, 잔류 응력 제거를 위한 열처리, 지지 구조물 제거, 판 분리 등이 포함되며, 정밀 가공(예: 용접, 연마) 및 엄격한 테스트(예: 비파괴 테스트)를 거쳐 부품이 서비스 표준을 충족하는지 확인합니다. 조립 단계에서는 검증 테스트와 야금 인증을 결합하여 완전한 부품 생산 프로그램을 구성하고, 특히 고온 환경을 위해 내열 및 내산화성을 강화하는 특수 코팅 공정(예: 열 차단 코팅)을 진행합니다. 전체 공정은 반복적인 수명 주기를 기반으로 프로세스 파라미터와 재료 특성을 지속적으로 최적화하며, 예를 들어 Gradi 외(2021)가 제안한 모델을 참조하여 "설계-제조-테스트-개선" 사이클을 통해 프로토타이핑에서 대량 생산으로 원활하게 전환할 수 있어 궁극적으로 극한의 작동 조건에서 AM 부품의 신뢰성과 오래 지속되는 성능을 보장할 수 있습니다. 극한의 작동 조건에서 적층 가공 부품의 신뢰성과 수명 보장.

1980년대에 초기 3D 프린팅 기술이 등장했습니다. 이 단계의 기술은 래피드 프로토타이핑(신속한 프로토타이핑)으로 알려졌으며, 핵심 개념은 디지털 모델을 기반으로 물체를 레이어별로 프린팅하여 신속한 프로토타이핑을 가능하게 하는 것이었습니다. 1990년대부터 21세기 초까지 개발 중기 단계에서 성숙하기 시작하여 산업 디자인, 모델링, 프로토타이핑에 적용되었을 뿐만 아니라 의학, 항공, 자동차, 건축 분야에도 침투하기 시작했습니다. 21세기에 접어든 후 3D 프린팅 기술은 복잡한 구조와 정밀 부품을 인쇄할 수 있을 뿐만 아니라 다중 재료, 다중 색상 인쇄를 실현하는 등 더욱 획기적인 발전을 이루었습니다. 이에 따라 제조, 의료, 항공우주 및 기타 여러 분야에서 3D 프린팅이 더욱 광범위하고 심도 있게 적용되고 있습니다.

그림 3 적층 제조 기술

3 구형 분말: 적층 제조 기술 개발의 핵심 소재이자 열쇠

구형 분말은 거의 완벽한 구형 또는 구상 입자 형태를 가진 첨단 공정으로 제조된 금속 또는 합금 분말로, 적층 제조(AM) 분야에서 '황금 표준'으로 간주됩니다. 이러한 유형의 파우더의 핵심 장점은 고유한 물리적 특성에서 비롯됩니다. 높은 구형성(1에 가까운 구형성 계수)으로 파우더 확산 공정에서 균일하게 분포되어 층간 다공성을 크게 줄이고, 우수한 이동성으로 복잡한 캐비티나 미세 구조에 파우더를 빠르게 채워 프린팅 효율을 개선하며, 동시에 낮은 산소 함량(예: 산소 함량이 0.15% 미만인 티타늄 합금 파우더)을 엄격하게 제어하여 부품의 기계적 특성에 대한 불순물의 부정적인 영향을 피할 수 있다는 점입니다. 낮은 산소 함량(예: 티타늄 합금 분말 산소 함량 0.15% 미만)을 엄격하게 제어하면 불순물이 부품의 기계적 특성에 미치는 부정적인 영향을 방지할 수 있습니다. 또한 구형 분말은 좁은 입자 크기 분포(예: 레이저 선택적 용융 기술의 경우 15-60 μm)를 통해 재료의 크기에 따른 다양한 적층 제조 공정의 특정 요구 사항을 충족하여 고품질 성형의 기반을 마련할 수 있습니다.

구형 분말은 적층 제조 기술에서 대체할 수 없는 역할을 합니다. 높은 유동성과 균일한 빌드업 특성은 프린팅된 부품의 밀도와 성능을 직접 결정하는데, 예를 들어 레이저 파우더 베드 융용(LPBF) 공정에서 구형 티타늄 합금 분말(예: Ti-6Al-4V)을 사용하면 부품 밀도가 99.9%에 달하여 균열과 잔류 응력을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 이러한 재료 특성 덕분에 AM 기술은 항공 엔진 블레이드 내부의 냉각 러너부터 의료 분야의 맞춤형 뼈 임플란트의 다공성 구조에 이르기까지 기존 제조의 제약을 극복할 수 있는 능력을 갖추고 있으며, 구형 분말은 기능성과 경량화에 최적화된 복잡한 형상을 자유롭게 설계할 수 있도록 지원합니다. 동시에 적층 제조 기술의 층별 적층 특성과 구형 분말의 효율적인 충진 특성을 결합하여 재료 활용률을 90% 이상으로 높여 생산 비용과 자원 낭비를 크게 줄일 수 있습니다. 항공우주 산업에서는 구형 고온 합금(예: 인코넬 718)으로 만든 터빈 블레이드가 섭씨 1,000도 이상의 극한 환경을 견딜 수 있으며, 의료 산업에서는 생체 적합성 티타늄 합금 분말을 사용하여 전자빔 용융(EBM) 기술을 통해 기존 공정보다 80% 낮은 비용으로 표준화된 임플란트를 대량 생산할 수 있습니다.

그림 4 구형 TC4 티타늄 기반 분말(Ti-6Al-4V)

구형 분말의 제조 공정은 품질과 비용을 직접적으로 결정합니다. 현재 주요 기술로는 에어로졸화, 플라즈마 회전 전극법(PREP), 고에너지 플라즈마 구상화(HEPS) 등이 있습니다. 에어로졸화 방식은 금속 액체 흐름을 고속 기류로 분사해 미세 물방울로 쪼개고 냉각시켜 구형 분말로 만드는 방식으로 시장 점유율의 80% 이상을 차지하고 있지만 산소 함량 제어와 장비 비용이 여전히 걸림돌이며, PREP 기술은 플라즈마의 회전 전극을 녹여 고순도 분말을 생산하는 방식으로 특히 티타늄과 기타 반응성 금속에 적용되지만 높은 에너지 소비로 인해 적용 규모가 제한적입니다. 최근 몇 년 동안 두 번째 구형 처리를 위해 불규칙한 분말의 플라즈마를 통한 HEPS 기술의 출현은 재활용 분말의 품질을 향상시킬뿐만 아니라 티타늄 폐기물의 100 % 재활용을 달성하여 친환경 제조 공정을 촉진했습니다. 그러나 업계는 여전히 심각한 도전에 직면해 있습니다. 고급 분무 장비의 수입 의존으로 인해 국산 분말의 수율이 낮고(티타늄 분말의 경우 80% 미만), 분말의 입자 크기 분포와 산소 함량의 변동으로 인해 부품의 성능이 배치마다 달라질 수 있으며 이는 항공 우주 및 기타 고급 분야에서 특히 중요합니다.

구형 분말의 높은 유동성과 균일한 분말 확산 특성은 적층 제조(AM)를 위한 고품질 기반을 제공하지만, 프린팅 후 표면 거칠기(Ra 값은 일반적으로 5.5-8.9μm)는 극한의 작업 조건에서 기능 요구 사항을 충족하기 위해 후처리 기술로 최적화해야 합니다. 레이저 분말 베드 용융(L-PBF)으로 형성된 텅스텐 부품을 예로 들면, 수직 방향의 표면 거칠기(Ra 5.5 μm)는 경사 방향(예: 45° 아래를 향한 표면의 경우 Ra 8.9 μm)보다 훨씬 낮으므로 화학-기계 연마(CMP) 또는 전기 화학 연마와 결합하여 Ra 값을 1 μm 미만으로 낮추어 응력 집중을 줄이고 피로 수명을 향상시켜야 합니다. 또한 고온 및 부식성 환경에서는 보호 코팅 기술이 필수적인데, 외부 표면은 고온에서 소결하여 최대 1,300°C의 온도 저항성을 가진 고밀도 산화물 층을 형성하는 페로크롬-실리콘 슬러리 확산 코팅으로 코팅하고, 내부 복잡한 유동 경로에는 MoSi₂ 열 스프레이 기술을 사용하여 내산화성을 강화하는 동시에 기하학적 정확성을 유지할 수 있습니다. 이러한 표면 처리는 AM 고유의 거칠기 한계를 보완할 뿐만 아니라 구형 분말과의 시너지 효과(예: 좁은 입자 크기 분포로 연마 손실 감소)를 통해 항공우주 노즐 및 원자로 부품과 같은 고급 응용 분야에서 신뢰성 혁신을 촉진합니다.

그림 5 레이저 파우더 베드 융합

다양한 적층 제조 기술 및 응용 분야를 위한 4가지 유형의 구형 분말

4.1 선택적 레이저 용융(SLM): 정밀 제조의 혁신

선택적 레이저 용융(SLM)은 고에너지 레이저를 사용하여 금속 분말을 층별로 녹이는 방식으로, 특히 소형 정밀 부품 제조를 위한 복잡한 구조의 고정밀 성형에 특화되어 있습니다. 용융 풀의 안정성과 부품 밀도를 보장하기 위해 입자 크기는 15~60μm, 구형도는 0.9 이상, 산소 함량은 0.15% 미만, 중공 분말이 없어야 하는 등 파우더 성능에 대한 요구 사항은 매우 엄격합니다. 예를 들어 항공우주 분야에서 SLM 기술로 제작한 티타늄 합금 항공 엔진 블레이드(예: Ti-6Al-4V)는 내부 벌집 구조 설계를 통해 고온 강도를 유지하면서 30%의 경량화를 달성했으며, 의료 분야에서는 SLM으로 프린팅한 개인 맞춤형 티타늄 합금 정형외과 임플란트는 다공성 표면이 조골세포의 성장을 촉진하여 환자의 회복 기간을 단축시켰습니다.

그림 6 선택적 레이저 용융(SLM)

4.2 전자빔 선택적 영역 용융(EBSM): 대형 부품을 위한 효율적인 솔루션

전자빔 선택적 용융(EBSM)은 고에너지 전자빔의 높은 투과력을 활용하며 대형, 두꺼운 적층 부품을 신속하게 제조하는 데 적합합니다. 분말은 45~105μm의 큰 입자 크기 범위, 높은 부피 밀도, 우수한 내열성을 가져야 합니다. 대표적인 예로 항공우주 분야의 대형 하중지지 프레임 제조를 들 수 있는데, J-31 전투기의 티타늄 합금 하중지지 프레임을 예로 들면 EBSM 기술은 소재 활용률을 5배까지 높여 원자재 낭비를 크게 줄였습니다. 또한 자동차 산업에서는 EBSM 기술을 구리 합금 분말(예: CuCrZr)과 결합하여 고효율 방열 부품을 제조하고 유로 설계 최적화를 통해 전기 자동차 모터의 방열 효율을 40% 향상시켰습니다.

그림 7 전자빔 선택적 영역 용융(EBSM)

4.3 레이저 용융 증착(LMD): 대형 부품의 수리 및 강화를 위한 강력한 도구

레이저 용융 증착(LMD)은 고에너지 레이저로 분말을 동시에 공급하여 대형 부품의 표면을 빠르게 수리하거나 강화하는 데 사용됩니다. 이 기술은 클래딩 층의 성능을 보장하기 위해 90~250μm의 입자 크기 범위와 높은 순도를 가진 분말의 높은 유동성이 필요합니다. 항공 우주 분야에서 LMD 기술은 그라데이션 재료 설계(코발트 기반 합금 및 텅스텐 카바이드 복합 코팅 등)를 통해 터빈 블레이드 마모 부품을 수리하여 블레이드 수명을 3배 연장하는 데 사용되고, 중장비 산업에서 LMD 기술은 내부 러너의 통합 설계를 통해 대형 유압 밸브 본체를 직접 성형하여 조립 인터페이스를 줄이고 누출 위험을 최대 70%까지 줄입니다.

그림 8 레이저 용융 증착(LMD)

4.4 산업 간 응용 분야: 최첨단 항공 우주에서 소비자 가전까지 기술 침투

항공우주: SLM 및 EBSM 기술은 구형 티타늄 분말과 고온 합금 분말을 결합하여 경량화 및 구조 혁신을 촉진합니다. 예를 들어 특정 모델 로켓의 연소실은 SLM 기술을 사용하여 1,200℃ 이상의 온도 저항을 가진 200개 이상의 냉각 러너를 통합합니다.

의료 및 헬스케어: EBSM 기술은 생체 적합성 티타늄 분말을 사용하여 표준화된 정형외과용 임플란트를 대량 생산함으로써 기존 공정에 비해 비용을 80% 절감하고 다공성 구조 설계를 통해 수술 후 빠른 골유착을 달성합니다.

소비자 가전: 휴대폰의 티타늄 합금 중간 프레임 3D 프린팅을 위해 HDH(수소화 탈수소화) 및 고에너지 플라즈마 구형화(HEPS) 기술로 작은 입자 크기의 티타늄 분말(<30μm)을 제조하여 강도와 두께의 요구를 고려하여 80% 이상의 수율로 대량 생산을 위한 Apple, Huawei 및 기타 고급 모델의 요구를 충족합니다.

5가지 미래 트렌드: 소재 혁신과 지속 가능한 개발

현재 적층 제조 기술은 항공우주, 의료 및 기타 분야에서 획기적인 응용 분야를 달성했지만 여전히 재료 성능의 한계, 높은 공정 비용, 자원 지속 가능성 등의 문제에 직면해 있습니다. 예를 들어, 기존의 티타늄 합금 분말은 초고온 환경(1000°C 이상)에서 크리프와 변형이 발생하기 쉽고, 기존의 폐 분말 재활용 기술은 산화 문제로 인해 재사용률이 50% 미만에 그칩니다. 이러한 맥락에서 소재 혁신과 지능형 공정이 문제 해결의 열쇠가 되고 있습니다. NASA가 개발한 GRX-810 초합금은 산화물 분산 강화(ODS) 기술을 통해 1200°C에서 기존 니켈 기반 합금에 비해 강도를 3배 높여 차세대 재사용 가능한 로켓 엔진 연소실의 가능성을 제시하는 동시에 인공지능 기반 공정 최적화 시스템(예.예: 지멘스 AM 모니터) 용융 풀 형태 및 열장 분포의 실시간 모니터링을 통해 레이저 출력과 스캐닝 경로를 동적으로 조정하여 부품 다공성을 2%에서 0.5% 미만으로 줄입니다.

지속 가능한 개발 측면에서 고에너지 플라즈마 구형화(HEPS) 기술은 티타늄 스크랩을 고순도 구형 분말로 변환하여 100% 재활용을 달성할 수 있으며, 장비 확장(예: 1미터 크기의 부품 프린팅을 지원하는 GE Additive의 ATLAS 레이저)과 결합하여 대형 항공 우주 부품(예: 40인치 로켓 노즐)의 저비용 제조를 촉진할 수 있습니다. 보다 미래 지향적인 우주 현장 제조(ISAM) 분야에서는 달 토양에 있는 금속 산화물(예: 일메나이트)을 사용하여 구형 분말을 직접 제조하는 방법을 모색하고 있으며, ESA의 "PROSPECT" 프로젝트는 시뮬레이션된 달 토양에서 티타늄 분말을 추출하는 데 성공했습니다. 미래에는 달 표면 3D 프린팅 방사선 차폐 캡슐과 연료 저장 탱크를 실현하여 심우주 탐사를 위한 재료 운송 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

적층 제조는 실험실에서 산업화에 이르기까지 소재 다양화, 공정 지능화, 폐쇄 루프 자원 재구성이라는 하이엔드 제조 패러다임으로 변화하고 있으며, 구형 분말은 이러한 변화의 핵심 매개체로서 기술 경계의 확장을 계속 주도해 나갈 것입니다.

그림 9 3D 프린팅 기술의 미래

6 결론

적층 제조(AM) 기술의 초석인 구형 분말은 높은 구형도, 우수한 유동성, 낮은 산소 함량으로 인해 기존 제조의 한계를 돌파하는 핵심 재료로 자리 잡았습니다. 레이저 선택적 영역 용융(SLM)을 이용한 정밀 항공우주 블레이드부터 전자빔 선택적 영역 용융(EBSM)을 이용한 대형 항공우주 구조 부품, 레이저 클래딩 증착(LMD)을 이용한 무거운 기계 수리까지 구형 분말은 다양한 공정의 요구 사항(예: 입자 크기 범위, 열 안정성)에 정확하게 적응하여 부품의 고밀도화, 경량화 및 기능 통합을 크게 향상시켰습니다. 항공 우주 분야에서는 티타늄 합금 및 고온 합금 분말을 사용하여 200개 이상의 냉각 러너의 연소실 통합을 돕고, 온도 저항은 1200℃를 초과했으며, 의료 분야에서는 생체 적합성 설계를 통해 다공성 티타늄 합금 임플란트를 사용하여 개인 맞춤형 치료를 촉진하고, 가전 제품은 작은 입자 크기의 티타늄 분말을 사용하여 휴대폰 대량 생산의 중간 프레임의 고효율, 80% 이상의 수율을 달성합니다.

그러나 업계는 여전히 높은 준비 비용(예: 플라즈마 구형화 장비는 수입에 의존), 분말 성능 변동(산소 함량 및 입자 크기 분포 제어), 표준화 부족 및 기타 과제에 직면해 있습니다. 앞으로는 소재 혁신과 지능형 기술이 돌파구의 핵심이 될 것입니다: NASA의 GRX-810 초합금은 산화물 분산으로 강화되고 고온 강도가 두 배 증가하며, AI 기반 공정 최적화 시스템은 용융 풀의 파라미터를 실시간으로 조절하고 다공성을 0.5% 이하로 낮출 수 있습니다. 지속 가능성 측면에서는 폐 분말 재활용 기술(예: HEPS)과 장비 확장(예: 1m 부품 프린팅)이 자원 효율성의 혁신을 주도하고 있으며, 우주 현장 제조(ISAM)는 달의 토양에서 티타늄 분말을 추출하여 '현장' 심우주 탐사의 가능성을 제시하고 있습니다.

연구실에서 산업화에 이르기까지 적층 제조는 소재 다양화, 공정 지능, 폐쇄 루프 자원을 통해 첨단 제조 패러다임을 재구성하고 있습니다. 이러한 변화의 핵심 매개체인 구형 분말은 기술 혁신의 초석일 뿐만 아니라 항공우주, 의료 및 헬스케어, 그린 에너지의 업그레이드를 촉진하는 열쇠이기도 합니다. 글로벌 R&D 협력과 산업 체인 혁신의 심화와 함께 적층 제조 기술은 더욱 효율적이고 지속 가능한 미래를 향해 가속화되어 인류가 극한 환경을 탐험하고 인더스트리 4.0의 비전을 실현할 수 있는 지속적인 힘을 불어넣을 것입니다.

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