▲ 용접토치가 달린 로봇팔이 금속 와이어를 이용해 금형 틀을 적층하고 있다.

한국생산기술연구원(원장 이낙규)이 금속 3D 프린팅 분야에 최신 용접기술을 접목해 중대형 부품 또는 다이캐스팅(Die-casting) 금형을 보다 신속하고 저렴하게 제조할 수 있는 기술을 개발했다.

기존 ‘PBF(Powder Bed Fusion)’ 방식 3D 프린팅 기술은 고출력 레이저장비와 값비싼 분말 재료로 오랜 시간 한 층씩 적층해야 하기 때문에 금형이 커질수록 제조단가는 높아지고 생산성은 떨어진다는 단점이 있다. 또한 대형 금속 3D 프린터 1대당 가격이 약 10억 원 이상의 고가여서 중소기업들이 이를 도입해 운용하기에도 재정적으로 부담되는 상황이다.

생기원 첨단정형공정연구그룹 지창욱 박사 연구팀은 이 같은 단점들을 극복하고자 푸시풀(Push-Pull) 방식의 최신 용접기법으로 금속 와이어를 빠르게 적층하는 ‘와이어 아크(Wire+Arc) 3D 적층 제조방식’을 고안하고 관련 공정을 최적화했다.

이 방식은 3D 프린팅의 또 다른 방식인 ‘DED(Directed Energy Deposition)’와 유사하지만, 열원(熱源)을 레이저 대신 고온의 전기불꽃 ‘아크(Arc)’를 사용하고 금속 분말이 아닌 ‘와이어’를 녹여 적층한다는 점에서 차별화된다.

연구팀은 용접기와 로봇, 적층경로설정 소프트웨어 등을 하나의 시스템으로 통합하고 와이어 소재, 가스 유량, 작업 온도 등 각종 공정변수들에 대한 데이터 베이스를 쌓아 3D 프린팅에 적합하도록 최적화했다.

개발된 기술은 제작할 부품·제품의 캐드(CAD) 도면을 시스템에 입력하면 경로설정 소프트웨어가 최적 적층경로를 선정, 로봇팔에 부착된 용접토치가 그 경로를 따라 와이어를 녹이며 층층이 쌓는 자동화 방식이다.

이 방식은 부품 제작 속도가 기존 주조공법보다 2배 이상 빠르고, 특히 다이캐스팅 금형 제작의 경우 CNC 가공법과 비교해 제조단가는 약 20%, 소재 손실율도 80% 더 낮다. 장비 구축 비용도 대형 3D 프린터의 10분의 1 수준에 불과해 경제적이다.

또한 적층 과정에서 이종 소재를 접합하는 용접기법인 ‘클래딩(Cladding)’ 방식도 적용할 수 있는데, 이를 통해 금형의 냉각속도, 내마모성 등을 향상시켜 금형 수명을 늘리고 제품의 치수 안정성까지 높일 수 있다.

▲ 금형을 제작하고 있는 와이어 아크 3D 적층 시스템

▲ 와이어 아크 적층 방식으로 제작한 금형 시제품

▲ 와이어 아크 3D 적층 시스템으로 제작한 2m 크기의 대형 선박 프로펠러

연구팀은 이 기술을 이용해 통상 2개월가량 소요되는 2m 크기의 대형 선박 프로펠러를 3주 만에 제작해냈고, 강도·내구성과 같은 물적 특성의 우수성도 인정받아 ‘선급 인증’까지 받았다.

지창욱 박사는 “개발된 기술은 자동화 용접시스템과 캐드 도면만 갖추면 중소 제조업체들도 쉽게 도입 가능한 고속·저가 3D 프린팅 기술”이라며, “향후 적용소재를 철, 알루미늄뿐만 아니라 경량화에 유리한 마그네슘 합금으로 확대하여 항공부품 제작에 활용할 계획”이라고 말했다.

한편, 이번 기술개발은 산업통상자원부의 산업기술혁신사업과 기관 주요사업인 ‘신시장창출지원사업’을 통해 진행됐으며, 현재 관련 SCI급 논문 5편이 발행되고 특허 4건이 출원된 상태다.