삼차원의 첫 번째 뉴스레터에서도 잠깐 소개해 드렸던 DED(Direct Energy Deposition )방식은 고출력 레이저, 전자빔, 플라스마 아크 같은 에너지를 이용해 분말이나 와이어 등의 재료를 출력물의 표면에 바로 녹여 붙이며 적층하는 방식이에요.

DED 방식은 강도와 연신율 등 물성이 우수하고 복잡한 형상을 실제 이론상 밀도와 유사하게 적층할 수 있지만, 표면 상태가 균일하지 않아 후가공 비용이 많이 들어요. 게다가 출력물의 내부를 비워 제작하는 것이 부분적으로만 가능하여 경량화가 어렵고, 제작 방향성의 제약 때문에 구조 강성 향상을 위한 적층 제조에는 적합하지 않아요.

레이저 클래딩은 레이저 빔을 열원으로 사용하여 한 재료를 다른 재료의 표면에 추가하는 기술이에요. 레이저 클래딩은 손상되거나 마모된 부품을 수리할 수도 있고, 부식이나 마모로부터 부품을 보호할 수 있어요. 복잡하고 값비싼 부품은 작은 손상이나 조금의 마모가 있더라도 엄청난 수리 비용이 발생하기 때문에 주로 수리보다는 교체를 하거든요. 이럴 때 레이저 클래딩 기술을 사용하면 부품을 교체하는 대신 저렴한 비용으로 수리할 수 있어요.

현재는 농업, 중공업 및 각종 에너지 산업뿐만 아니라 항공 우주분야까지 다양한 산업 분야에서 사용 중이에요.

레이저 클래딩의 장점은 뭐야?

높은 출력의 레이저를 열원으로 사용해 재료를 용융하는 동시에 도포하여 재료 표면에 증착하기 때문에 레이저 노출 시간은 짧고, 응고와 냉각 시간은 빨라요.

• 터빈과 같은 대형 부품의 경우 레이저 클래딩을 이용하여 생산 비용을 크게 낮출 수 있고, 공정 시 추가로 도구가 필요하지 않아 작업이 간단해요.
• 다양한 재료를 사용하여 마모 및 부식 방지 등 필요한 기능에 맞게 표면을 최적화할 수 있어요.
• 적은 입열량으로 뒤틀림이나 크랙 등 부품의 변형을 최소화할 수 있어요.
• 아주 작은 부위에 국부적인 작업이 가능해요.

와이어 레이저 클래딩 VS 분말 레이저 클래딩 

레이저 클래딩은 일반적으로 와이어 또는 분말을 사용해 작업하는데요, 

와이어 클래딩이 분말 클래딩보다 재료의 효율적인 사용이 가능하고, 복잡하고 큰 부품을 수리하거나 제작할 때 더 적합해요.

최근 클래드 재료가 다양하게 개발이 되면서 레이저 클래딩 기술의 응용영역도 확대되고 있어요. 고가의 재료비 절감과 유연한 공정 구현이 가능해 부품 설계 분야에 다양하게 사용될 가능성이 보이고 있어요!

스페인의 금속 3D 프린팅 솔루션 개발사인 Meltio는 레이저 클래딩 기술을 사용하여 여러 분야에서 사용되는 스크류 압축기를 제작하거나 자동차의 휠을 수리하는 등 다양한 산업 분야에 응용하고 있어요.

암스테르담 운하에 등장한 3D프린팅 다리

MX3D BRIDGE

2021년, 네덜란드 암스테르담 운하에 12m의 스테인리스 다리가 등장했어요. 바로 네덜란드 3D프린터 제조 및 인쇄 서비스 브랜드인 MX3D에서 WAAM 방식의 적층제조로 제작한 다리인데요, MX3D의 로봇으로 제작했어요. 크기는 길이 12.5m, 높이 10.5m 너비 2~4m 무게는 약 7톤이에요. 이 다리의 등장으로 사람들에게 WAAM 기술이 무엇인지 보여주고, 안정성과 내구성은 물론 WAAM 기술의 잠재력을 보여준 역사적인 사례가 되었어요. MX3D 브리지는 2023년까지 실제로 사람들이 사용할 수 있도록 전시되었다고 해요.

다이캐스팅보다 더 가볍고 견고한 WAAM부품

BMW 차량에 사용했다고~?

미국의 해군의 국방강화 전략

선박 부품 자급자족 시스템

해양 생태계를 보호하는

해저스테이션 'Sentinel'

9개의 Direct Diode 블루레이저 사용으로

더 다양한 금속 재료를 가공해 M600

블루레이저로 알루미늄과 구리 파트 제작

Meltio는 블루 레이저를 사용하는 WLMD 장비를 출시했어요.

이 블루 레이저가 중요한 이유! 금속 AM 분야에서 자주 사용되는 알루미늄과 구리는 붉은색 빛을 포함해 대부분의 빛을 반사하는 특성 때문에 3D 프린팅하는데 어려움이 많은 소재였어요.

하지만 Meltio가 레이저 헤드에 블루 레이저를 넣으면서 알루미늄과 구리 소재도 와이어를 사용하여 효율적으로 적층 제조와 클래딩을 할 수 있게 되었어요. 알루미늄은 가볍고 고열과 부식에 강하기 때문에 비행기, 자동차 등을 제작할 때 사용되고, 구리는 전기와 열전도성이 우수해 배관이나 전자제품 등 다양한 부품 제조에 적합한 재료예요.

Meltio의 M600은 알루미늄과 구리를 이용해 300 x 400 x 600 mm 사이즈까지 제작할 수 있고 PBF(분말 적층 방식)보다 제작 속도도 빨라요. 그리고 또 한 가지! 금속 파우더 대비 와이어 비용이 저렴해 제작비용도 절감할 수 있다고요~

완전 밀폐형 챔버로 티타늄의 산화를 막아줘

이전 모델인 M450과의 차이점은 제작 사이즈도 있지만 실드가스를 헤드에서 분사하며 적층했던 M450과 달리 M600은 아르곤가스를 챔버 내부에 가득 채워 사용하는 완전 밀폐형이라는 점이에요. 이게 왜 중요하냐고요?

티타늄을 가공할 때 아주 큰 역할을 해줘요. 일반적인 티타늄 용접방식에서 아르곤 실드가스의 역할은 공기 중에 있는 불순물이 소결 과정에 포함되지 않게 하기 위함인데요, 이럴 경우 티타늄의 산화를 완전히 막기 어렵다고 해요. 불활성가스인 아르곤 분위기에서 티타늄을 소결하면 유사한 강도나 고진공 상태에서 소결된 티타늄보다 더 나은 인장강도와 연성이 나오고, 더 미세한 입자를 생성할 수 있어요. 

들어는 봤나 4종 소재 파트 제작?

M600의 핵심 기능 중 하나는 바로 와이어 스풀을 4개까지 장착해서 사용할 수 있다는 거예요. 2종 소재 사용의 장단점은 #삼차원 2호에서 살짝 언급했었는데요, 한대의 장비에서 서로 다른 종류의 금속 와이어를 바꾸어가며 적층할 수 있어요. 특히 이번 M600 장비는 4가지의 금속 와이어를 장착해두고 자동으로 로딩해서 사용할 수 있는데요, 

2미터까지 출력하는 장비 봤어?

더 크고 강력한 METAL AM SYSTEM

35,000kg이 넘는 금속을 프린팅 한 경험을 가진 전문 기업

네덜란드 디자인 스튜디오에서 시작된 회사인 MX3D는 3D프린터 제조 및 인쇄 서비스 브랜드에요. 로봇공학, 엔지니어링, 소프트웨어, R&D 제조 설계 팀을 보유하고 건설, 석유 가스, 해양 등 다양한 산업분야에 WAAM 기술을 적용하고 있어요. WAAM 방식으로 하는 적층 제조를 자동화한 장비 M1은 35,000kg 이상의 금속 프린트 경험을 바탕으로 연구 개발된 시스템으로 2200*1400*1700mm까지 대형 금속 파트를 제작할 수 있는 강점을 가지고 있는 장비랍니다. 

표준 용접 와이어는 모두 사용 가능해

스테인리스강, 알루미늄, 구리 합금, 고강도 강철, 인코넬 등 표준 용접 와이어라면 어떤 재료라도 사용이 가능하고, MetalXL 소프트웨어와 산업용 로봇을 결합해 제작하고자 하는 파트의 디자인부터 프린팅까지 전반적인 프로세스를 간결하게 관리할 수 있다는 장점을 가지고 있어요. 때문에 일반적으로 3D 프린터가 많이 사용되는 산업 분야뿐만 아니라 디자인 업계에서도 다양하게 사용하고 있답니다.

조선해양 부품 제작에 적합해

MX3D의 로보틱 WAAM 방식은 해양산업에서 사용되는 복잡한 부품 또는 파트를 최적화된 재료와 자동화된 프로세스로 사용할 수 있어요. 한번 제작하면 사용기간이 긴 선박의 부품들은 여분의 교체 부품 재고를 제작해두지 않는 경우가 많은데요, 이럴 때 쉽고 빠르게 부품을 제작할 수 있다면, 가동 중단 시간을 최소화해두고, 수리 시설 및 예비 부품 보관소를 따로 갖추지 않아도 되니 산업은 물론 경제적으로도 가치가 높죠. MX3D의 장비로 대형 임펠러, 프로펠러 블레이드, 알루미늄 용골, 카울 벤트 등 다양한 파트들이 제작되고 있어요.

🧐서팀장: 안녕하세요 HDC 서팀장입니다. 오늘은 용접 방식의 AM 방법에 대해 알아보았는데 어떠신가요? 기술의 빠른 변화가 느껴지시나요? 최근 관련 업계는 소형 파트 제작에서 대형 파트 제작으로 넘어가는 추세입니다. 금속뿐만 아니라 플라스틱 파트 제작도 마찬가지고요. 관련해서 이슈가 되고 있는 또 한 가지는 복합소재와 이종 소재의 사용인데요, 오늘은 이종 소재에 대해 알아보고자 합니다. 

이종 소재 적층 제조는 서로 다른 여러 가지의 금속 종류를 적층하여 한 개의 제품으로 만드는 기술입니다. 금속은 모두 녹는 온도가 다르고 성질이 다르기 때문에 하나의 장비로 적층하는 것이 까다로운데요, 최근 스페인의 3D프린터 제조사 Meltio는 하나의 장비로 노즐 교체 없이 최대 4가지의 금속 와이어 소재를 프린팅 할 수 있는 기술을 개발했습니다.

이종 소재를 사용하면 어떤 점이 좋을까요?

이종 소재를 사용했을 때의 가장 큰 장점은 부품을 경량화할 수 있고, 제작비용을 절감할 수 있습니다.

예를 들어 Inconel(인코넬) 합금의 경우 경도와 강도가 높지만 다른 STS(스테인리스 스틸) 합금에 비해 고가에요. 이때 선택적으로 일정 부분은 Inconel 합금 대신 STS 합금을 적용한다면 원하는 용도로 사용도 가능하고 비용도 줄일 수 있어요.

원하는 부분에 선택적으로 경도와 강도가 다른 금속을 적용할 수 있는 것은 전체 범위에 높은 경도와 강도를 가진 물체를 제작할 수밖에 없는 기존 DED 방식과는 큰 차이점으로 여러 산업 분야에 유용한 기술입니다. 특히 Meltio와 같은 레이저 용접 공정은 열 입력이 적기 때문에 부품에 균열과 변형이 덜 발생한다는 강점을 가지고 있습니다.

어떤 산업분야에서 사용 중일까요?

이종 소재는 현재 우주항공, 자동차, 조선해양, 에너지 산업 등 다양한 분야에서 사용 중입니다. 특히 항공기나 자동차 산업의 경우 제품의 경량화 기술이 핵심 경쟁력으로 떠오르고 있는데요, 바로 이 이종 소재 사용이 경량화 기술의 중심에 있습니다. 

또한 우주항공에서는 로켓 엔진의 부품을 제작할 때 사용하기도 해요. 연소실은 추진체의 연소가 일어나는 부분이라 연료와 산화제가 혼합되어 많은 양의 열과 고압가스가 발생하는데요, 구조적 강도를 위한 인코넬 합금 (Ni-718)과 열 방출을 위해 구리 합금(CuCrZr)을 이용한 파라미터를 개발하고 있는 중이라고 합니다.

한계점은 없을까요?

앞서 말씀드린 것처럼 금속은 저마다 가지고 있는 성분이 달라 서로 접합이 가능한 금속이 있고, 아닌 금속이 있습니다. Meltio 헤드로 정해진 파라미터 값에 따라 제조할 경우 스테인리스 스틸, 마일드 스틸, 툴스틸, 인코넬은 서로 모두 호환하여 사용할 수 있고, Titanium은 Titanium끼리만 용접할 수 있다고 합니다.