[첨단 헬로티]

우시오 코이치 (牛尾 公一)   ㈜데이터디자인

1. 서론

3D 프린터를 활용하는 대상 애플리케이션이 기존의 시제작․디자인용 용도에서 기능성 평가나 최종 부품, 간이형․치공구로 확대를 보이기 시작하고 있다. 대응 재료도 강도나 인성이 우수한 것, 내마모성․내열성으로 특화된 것을 사용할 수 있게 됐다. 그리고 새로운 3D 적층조형 방식의 개발이나 장치 그 자체의 소형화․고기능화가 추진되고 있다.

동사는 2010년경부터 3D 적층조형에 관한 소프트웨어 기술에 주력해 지식을 축적해 왔다. 2019년 3월에는 기후(岐阜)현 카카미가하라(各務原)시에 토쿠다(德田)공업(주)의 협력을 얻어 금속․카본 재료에 대응한 3D 적층조형 기술을 연구하는 3D 테크니컬 래버러토리를 설립했다.

3D 적층조형이 유효한 애플리케이션의 창출을 목적으로 하고, 소프트웨어와 하드웨어뿐만 아니라 엔지니어링 서비스까지 융합한 대응을 스타트시켰다.

2. 기존형 금속 적층 방식의 과제와 새로운 3D 적층 방식 : ADAM 기술

금속 재료를 사용한 3D 적층조형 방식에는 금속 분말을 고출력 레이저나 전자빔으로 소결하는 파우더 베드 퓨전(PWF) 방식과 금속 분말이나 합금 와이어를 노즐에서 분사하고 레이저로 용융하는 레이저 메탈 디포지션(LMD/DED) 방식이 있다.

이 기존형 방식의 과제는 ①고출력 레이저에 의한 잔류응력 왜곡이나 변형, ②장치 및 부대설비‧메인티넌스의 코스트, ③서포트 제거나 재료 교환의 공수 등을 들 수 있다.

이와 같은 기존형 적층조형의 과제에 대해 미국발 기술로서 ADAM 기술이 주목받고 있다. ADAM은 Atomic Diffusion Additive Manufacturing의 약어로 ‘원자 확산 접합’ 또는 ‘소결 확산 접합’이라고 하며, 대학 등의 학습 기관에서는 계속적으로 연구가 이루어지고 있다.

미국 Markforged사를 비롯해 여러 회사가 선구적으로 제장한 새로운 3D 적층 방식으로, MIM(금속 분말 사출성형법)의 기술을 이용한 3D 적층조형 방법이다. 이 새로운 방식의 큰 흐름을 이하에 나타냈다.

① 조형 전 준비 작업 : STL 데이터를 입력, 서포트 부가와 래티스화의 설계, 슬라이스 데이터의 생성.
② 그린체의 3D 적층조형 : 금속 분말을 왁스 바인더에 담은 필라멘트를 용해하면서 최소 0.05mm 피치로 고정도로 적층.
③ 탈지 세정 : 왁스 바인더를 유기용제로 녹여 금속 분말의 덩어리(브라운체)를 생성.
④ 소결 접합 : 신터링 장치 내에 아르곤 가스를 충전시키고, 약 1,300℃의 고온으로 소결, 96%의 고밀도 접합으로 금속 부품을 생성.

이 방식을 이용함으로써 단시간에 설계한 대로의 고강도‧고밀도의 금속 파츠를 조형할 수 있고, 기존의 금속 3D 프린터에 비해 1/10 이하라는 저코스트로 안전한 금속 적층조형이 가능해진다.

또한 고에너지 레이저 소결과는 달리, 왁스 바인더에 금속 분말을 이겨 넣고 바인더를 용융하는 온도로 조형해 가기 때문에 조형 시의 왜곡이나 힘은 최소한으로 억제된다. MIM에서 실적이 있는 소결 접합을 함으로써 소결 시의 형상 변형의 과제도 클리어하고 있다.

재료는 릴식의 필라멘트를 이용하기 때문에 1개의 조형장치로 복수의 재료를 간단히 교체해 사용할 수도 있다. 또한 서포트와 형상의 분리재에는 세라믹 라이크의 특수 재료를 이용하고 있으며, 소결 후에 간단하게 서포트와 형상을 분리시키는 것이 가능하다. 또한 분말소결법으로는 불가능한 중공 형상을 조형하는 것도 가능하다.

3. 3D 적층조형의 특성을 고려한 AM 디자인의 중요성

3D 적층조형의 장점을 최대한으로 활용하기 위해 설계 개념을 크게 바꿀 필요가 있다. 기존의 기계가공에 의한 조형에서는 소경 공구를 그다지 사용하지 않는다, 곡면을 많이 사용하지 않는다, 언더컷부나 중공 형상은 피한다 등 절삭하기 쉬운 형상을 설계하고 있다.

3D 적층조형에서는 ①중요한 치수 부위를 특정한다, ②서포트가 최소한이 되도록 오버행부를 최적화한다, ③후육부를 자른다, ④응력 집중을 경감한다 등의 고려가 필요하다.

절삭가공을 전제로 한 생산 프로세스에서는 가공, 지그, 성형, 조립 등 각각의 공정을 이미지하면서 최적의 설계를 할 필요가 있었다. 3D 적층조형을 생산 방법의 하나에 더한 경우, 지금까지의 상식과는 다른 3D 적층조형에 매치한 설계를 고려해야 한다.

3D 테크니컬 래버러토리에서는 ADAM 기술을 채용하고 있는 Markforged사제 ‘METAL X’(그림 1)을 활용하면서 실제로 AM 디자인의 중요성을 검증하고 있다.

우선은 이 기종 특유가 되는데, 조형 가능한 최대 형상은 신터링 장치의 노 크기에 제약을 받게 되어 X-235mm/Y-63mm/Z 1-65.5mm/Z 2-88mm/R-55.5mm에 들어가는 형상이 된다.

한편, 최소 형상은 조형 피치와 노즐 폭에 제약을 받게 되어 X-2mm/Y-2mm/Z-1.3mm가 된다. 또한 45° 이하의 오버행부에는 조형 시에 형상을 지지하기 위한 서포트 형상이 반드시 필요하다. 그 외에도 최소 구멍 지름(XY-1.5mm/Z-1mm)나 최소 원주 지름(XY-3mm/Z-3mm) 등을 고려해야 한다.

또한 가장 정도를 필요로 하는 부위는 가능한 한 XY 평면으로 하도록 조형 시의 배치도 고려할 필요가 있다. 그리고 서포트를 가능한 한 적게 하기 위해 45° 이하의 오버행부가 없도록 형상을 설계하거나, 소결 시에 변형이 잘 생기지 않게 하기 위해 샤프 에지나 오목 형상의 코너에는 필릿을 부가하거나 하는 등의 고안도 중요하다.

물론 재료 및 조형 시간, 탈지 시간을 줄이기 위해 살빼기도 중요한 요소가 된다. 절삭가공을 전제로 하고 있는 경우에는 앞에서 말한 필릿 부가나 살빼기는 가공 시간이나 가공 난이도의 증대로 이어지기 때문에 디자인에 부가하지 않는 경우가 많은데, 3D 적층조형의 경우에는 이러한 고려가 효과적인 설계 사상이 된다.

4. 3D 적층조형과 절삭가공을 융합한 하이브리드 조형

일본 국내의 검증은 앞으로가 되지만, 다른 나라에서는 이미 조형한 금속 파츠에 대해 절삭 다듬질가공을 하고 금형으로서의 활용을 추진하고 있는 사례도 보고되어 있다.

METAL X는 스테인리스 재료뿐만 아니라 SKD61 상당의 재료도 제공하고 있으며, 그림 2는 이 재료를 이용한 조형물의 사진이 된다. 소결 밀도가 약 96%이므로 경면 다듬질에는 적합하지 않지만, 성형 재료나 용도에 따라서는 충분히 사용할 수 있는 품질에 달해 있다고 생각한다.

이 METAL X를 이용했을 때의 새로운 장점으로서는 분말소결법에서는 불가능하다고 알려진 완전 밀폐된 금속 내부의 래티스화가 가능하기 때문에 강도를 해석함으로써 여분의 재료를 제거하고, 금형 전체의 경량화를 실현하는 것으로 이어진다(그림 3).

5. 맺음말/앞으로의 가능성

동사는 최근 수년에 걸쳐 금형‧지그 제작에 절삭가공과 3D 적층조형을 융합함으로써 새로운 가치를 창조할 수 있지 않을까 해서 하드웨어, 소프트웨어, 서비스면에서 여러 가지 대응을 해왔다. 금형 냉각 효과를 최대화하가 위한 컨포멀 쿨링이나 금속 밀폐 내부의 래티스화에 의한 금형 전체의 경량화는 일반적으로 생각되는 3D 적층조형의 장점이다.

이번에 소개한 새로운 방식의 금속 프린터나 기술이 나오고, 금속 재료를 이용한 3D 적층조형 장치를 쉽게 도입‧운용할 수 있는 환경이 되면 금형 제작은 더 크게 변할 가능성이 있다.

3D 적층조형 파츠의 부가가치를 높인다는 것은 항공기 부품이나 의료 부품과 같이 원래 고가의 부품을 대상으로 할 뿐만 아니라, 부대하는 2차 작업 코스트를 포함함으로써 그 파츠 자체의 부가가치를 높여 갈 것으로 생각한다.

예를 들면 절삭가공을 하기 위한 지그 설계나 가공 데이터의 생성, 공구‧홀더의 조달, 금형 부품의 조립 작업이나 어셈블리 후의 계측 공정 등 2차적인 작업이 3D 적층조형 파츠에 담긴다.

2020년에는 새로운 재료도 발표할 예정이다. 앞으로도 계속 3D 테크니컬 래버러토리에서 3D 적층조형과 절삭가공을 융합시키면서 새로운 부가가치를 만들어내 갈 것이다.