[첨단 헬로티]
미국 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory) 연구진이 방사광 가속기(Advanced Photon Source: APS)를 통해 3D 프린팅 시, 최종 제품에 결함에 영향을 주는 파우더(미세한 플라스틱 분말, 모래, 금속 가루 등)의 흩어짐을 제어할 수 있는 방법을 찾아냈다.
적층 가공과 관련하여, 제조업자들은 레이저를 사용하여 파우더형 재료(금속, 플라스틱, 세라믹 파우더)에 열을 가하여 얇은 막을 형성하고, 막이 형성되면 다시 파우더를 뿌리고 레이저를 쏘는 과정을 통해 만들어지는 여러 개의 층으로 제품을 조형한다.
▲3D 프린팅 과정에서 나타나는 파우더 스패터링(spattering) <출처 : 아르곤 국립연구소>
이러한 과정을 LPBF(Laser Powder Bed Fusion)이라고 하는데, 이 기술은 비행기, 자동차 그리고 인공 턱뼈와 같은 의료용 임플란트를 위한 부품에 사용해 왔다.
그러나 이 공정에는 강렬한 레이저가 파우더를 쏘면 파우더가 튀거나 뿌려져 제품의 결함을 초래하거나 품질 관리에 문제가 발생할 수 있는 단점이 있다. 또한, 공정 중에 튀어나오는 파우더는 주변의 재사용이 가능한 여분의 파우더를 오염시킬 수 있다.
이런 경우 엔지니어들은 완제품을 수리하거나 인쇄 프로세스를 수정하고 반복해야만 했다. 이 현상들은 기존의 도구로는 측정하기가 어렵고 모델링과 시뮬레이션을 통해서도 예측할 수 없으므로 튀는 파우더에 관한 상세한 움직임에 대해서 파악하기가 어려웠다.
연구진은 아르곤 국립과학연구소의 방사광가속기 시설에서 극도로 밝은 X선(x-rays)을 사용함으로써, 파우더의 속도와 가속도를 측정하여 파우더의 움직임을 관찰할 수 있게 됐다. 이 실험을 통해 연구진은 파우더의 튀는 현상(spattering)을 줄이는 방법을 제공했고 역학을 보여주는 다이어그램을 작성하였다.
연구진은 초당 5만 프레임 단위로 분석하여, 레이저 파우더 베드 퓨전(LPBF) 과정에서 광범위한 온도 범위(80℉ ~ 4,940℉(섭씨 환산 시 약 27℃ ~ 2726℃)) 및 주위 환경의 압력과 위치에 따라 달라지는 파우더 움직임을 역학적 분석 및 정량화할 수 있게 됐다.
연구진은 파우더의 튀는 현상을 완화하기 위한 3가지 방법을 제시하였다.
첫째) 주 소결 공정을 시작하기 전에 상대적으로 낮은 온도와 압력에서 파우더를 압축하는 예비 소결을 한다.
둘째) 파우더가 튀면서 생기는 공극이 두꺼운 파우더의 층에서는 발견되었지만 반면에 얇은 파우더 층에서는 거의 결함이 발견되지 않았으므로 파우더 베드의 두께를 감소시킨다.
셋째) 파우더 베드의 압력을 조정한다.
▲시간과 주위환경의 압력에 따른 파우더 변화 지도 <출처 : 아르곤 국립연구소>
연구진은 X선 영상의 대비 메커니즘을 사용하여 하나의 비디오에서 모든 움직이는 파우더의 궤적을 캡처할 수 있었다.
연구진은 튀는 현상을 완화하는 방법에 대한 단서를 제공함으로, 3D 프린팅의 부품을 만드는 데 있어 결함을 최소화할 수 있게 해주며, 3D 인쇄 영역의 확장을 실현하기 위한 중요한 촉매제로서 우주 항공, 국방, 의료기기에서 자동차에 이르기까지 다양한 산업 분야의 기업에 도움이 될 수 있다고 전망하였다.
<본 콘텐츠는 한국산업기술진흥원의 해외 기술 번역본을 정리해 옮긴 것이다.>
