미래창조과학부 산하 한국기계연구원(이하 기계연)은 최근 연구원 본원에서 금속 3D 프린팅(M3P : Metal 3D Printing) 융합연구단 개소식을 실시하고 본격적인 기술개발을 시작한다.

이날 개소식에는 국가과학기술연구회 이상천 이사장, 기계연 임용택 원장, 한국생산기술연구원 이영수 원장, 한국전자통신연구원 이상훈 원장, 재료연구소 김해두 소장, 3D 프린팅연구조합 신홍현 이사장과 연구단 관계자들이 참석해 자리를 빛냈다.

3D 프린팅 관련 장비·공정·재료 토털 개발
연구단은 국가과학기술연구회가 지원하고 기계연 주관으로 4개의 출연연구소와 에이치케이, 대림화학, 고려용접봉 등 9개 기업, 9개 대학이 참여하며 3년간 260억원이 투입되는 대규모 연구단이다. 연구단은 기존 사업과 달리 참여 기관들의 융합을 극대화하기 위해서 연구기간동안 주관기관인 기계연에 참여 연구원들이 결집해 연구과제를 수행하고 과제종료 후에 원 소속기관으로 복귀하는 ‘On-Site 융합연구’를 실시한다.

금속 3D 프린팅은 DED(Direct Energy Deposition), PBF (Powder Bed Fusion), ME(Material Extrusion) 등 3가지 종류로 나뉜다. 금속 3D 프린팅 기술은 단순히 장비성능에 의존하는 플라스틱 3D 프린팅과는 다르게 장비성능은 물론 공정, 재료에 따라서 현저한 차이를 갖는다. 이에 따라 연구단은 부가가치가 높고 실제 적용이 가능한 분야에서 3가지 금속 3D 프린팅 방식의 장비, 공정, 재료를 모두 개발할 예정이다.

“국가산업 발전에 기여할 것!”
DED(Direct Energy Deposition) 방식은 고출력의 레이저를 집광해 모제에 용융풀을 형성하고 금속 분말이나 와이어를 공급해 적층하는 방식이다. 연구단은 이번 융합연구를 통해 기존 장비 대비 적층속도 5배 이상의 성능향상을 목표로 하고 있다. 또한, 3차원 냉각 채널을 가지는 스마트 금형을 대상으로 생산속도를 50% 이상 향상시켜 현재 10조원에 이르는 국내 금형산업의 경쟁력을 높일 것으로 기대된다.

PBF(Powder Bed Fusion) 방식은 금속 분말을 얇게 깔고 레이저 프린터와 동일한 원리로 고출력의 레이저를 분말에 조사해 용융시키는 방식으로 형상을 만들어 낸다. DED 방식에 비해서 강도는 떨어지지만 복잡한 형상제작에 용이하다. 연구단에서 개발하는 PBF 방식의 프린터는 정밀도가 현재보다 2배 정도 좋은 10㎛급으로 기존에 필요했던 후가공 없이 사용이 가능할 예정이다. 연구단은 PBF 방식의 프린터로 고령화 사회를 대비해 부가가치가 높은 인공관절 제작을 목표로 하고 있다. 보통 인공관절은 인체에 무해한 티타늄을 사용하는데 현재 프린팅용 티타늄 분말은 1kg당 700달러 이상이며 전량 수입에 의존하고 있다.

연구단에서는 현재 가격보다 절반 이하의 가격으로 티타늄 분말을 생산하는 기술을 개발할 예정으로 향후 수입대체 효과가 기대된다. 특히, 2014년 기준 세계 인공관절 시장규모가 약 17조원, 국내는 약 1,131억원 수준으로 향후 더욱 확대될 것으로 예상돼 연구단의 인공관절 제작은 산업계에 큰 영향을 줄 것이다. ME(Material Extrusion) 방식은 금속보다는 플라스틱 계열에 적용되는 방식으로 주로 액체 상태의 플라스틱을 밀어내 적층하는 방식이다. 금속에 ME 방식을 적용하기 위해서는 고온에서 금속을 녹여야 한다.

연구단은 보통의 금속과는 다르게 300℃의 비교적 낮은 온도에서 녹는 합금금속을 개발해 사용한다. 금속 ME 방식의 프린터는 주로 3차원 곡면을 가지는 부품에 직접 배선해 3차원 회로를 만드는 공정 및 장비를 개발할 계획이다. 이창우 단장은 “연구단에서 개발하게 될 금속 3D 프린팅 기술은 금형, 인공관절, 3차원 회로제작 등 다양한 분야에 실제로 적용돼 국민, 국가산업에 기여할 것”이라면서, “다양한 참여기관의 연구원들과 함께 융합해 3년 안에 많은 성과를 창출하도록 노력하겠다”고 밝혔다.

FA Journal 이 서 윤 기자 (fa@infothe.com)

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