요즘 최대 화두는 4차 산업혁명이고, 제조혁신 분야에서는 복잡한 형상의 제품을 자유롭게 제조할 수 있는 3D프린팅 공정이 가장 주목받고 있다.
우리는 일상생활에서 정말 다양한 소재(재료)로 만든 제품을 사용하고 있다. 이를 재료 공학적으로 좀 더 살펴보면 대부분의 제품은 금속, 세라믹, 고분자 3가지 재료로 제조된다. 3D프린팅은 최첨단 공정이지만 원료로 사용 가능한 소재는 전통적인 이들 금속, 세라믹, 고분자를 벗어날 수 없다.
본 고에서는 3D프린팅에 적용되는 소재 중 우리 산업 또는 실생활에서 좀 더 광범위하게 사용되는 금속소재에 대해서 알아보고자 한다. 특히 3D프린팅 공정에는 기존의 금속제품 제조공정인 주조, 용접, 기계가공 등과 달리 금속분말이 핵심적으로 사용되고 있기 때문에 3D프린트용 금속분말의 일반적인 특성과 관련 분말재료 산업분야의 향후 발전에 대해 기술하고자 한다.
일단 왜 금속 3D프린팅 공정에서, 원료소재는 가루 형태인 분말이어야 하는지 살펴보면, 금속 3D 프린팅은 기본적으로 원료소재를 강력한 레이저를 이용하며 하나씩 붙여가면서 복잡한 형태를 만들어가는 상향식(bottom-up) 공정이기 때문이다. 즉 어떤 금형(틀)을 이용하지 않고 제품 모양을 디자인 후 형상을 따라가면서 미세 용접을 하기 때문에 원료소재는 분말(powder) 형태여야 한다. 물론 제품 크기나 필요에 따라서 금속 선(wire) 혹은 판재(sheet)도 가능하지만 레이저 용량의 한계와 제품의 요구 품질을 만족하지 못해 분말 형태가 가장 일반적으로 사용되고 있다.
이런 이유로 금속 3D 프린트에서는 극도로 정제된 품질의 금속분말을 사용한다. 좀 더 살펴보면 기본적으로 분말모양은 구형(spherical)에 가까워야 한다. 강력한 레이저에서 분말들이 미세 용접과정을 거치기 때문에 분말의 크기는 레이저 직경보다 작은 약 30~40㎛(머리카락은 약 120㎛)을 가져야한다. 이 크기보다 작으면 분말의 흐름도(flow rate)가 낮아져서 제품 제조 속도가 떨어지거나, 분말들이 공간을 충분히 채우지 못하는 결함이 생긴다. 분말이 너무 크게 되면 작용 레이저가 충분히 분말을 용융시키지 못하는 현상이 발생한다.
이러한 물리적 특성 이외에도 금속 분말들은 대기 중 산소 혹은 수분과 쉽게 반응하기 때문에 상당히 제어된 불활성 분위기나 진공분위기에서 보관하거나 제품을 제조해야하는 제약이 따른다.
현재 적용되는 금속 3D 프린트 분말소재는 같은 성분의 주조 모합금보다도 작게는 5배에서 크게는 20배 이상의 고가로 판매되는 고부가 가치 소재이다. 항공, 의료용 제품에 적용되는 Ti6Al4V 소재는 ㎏당 약 60만 원으로 제품 제작에 약 20㎏을 사용한다면 1,200만 원, 즉 웬만한 소형 자동차 비용이 필요하게 된다. 따라서 품질이 확보된 소재라도 얼마나 가격을 낮을 수 있는가도 핵심 조건이 된다.
지금까지는 3D 프린팅에 적용되는 분말 소재의 기본 특성을 알아보았다. 사실 우리 울산은 전국에서 유일하게 중앙정부로부터 3D 프린팅 분야가 지역전략 사업으로 지정돼 있다. 따라서 이러한 이유로 울산산학융합지구에 울산대 첨단소재공학부 등이 올해 초 이전해 3D 프린팅 산학연관 클러스러를 진행 중이며, 국립3D 프린팅연구원 설립도 문재인 대통령이 대선 후보 시절 핵심 아젠다로 채택한바 있다.
하지만 이런 시책과 정부 정책에도 불구하고 상당히 아쉬운 점은 울산지역에 금속 3D프린팅 분말을 제조할 수 있는 업체가 1~2개뿐이라는 점이다. 따라서 3D 프린팅의 가장 기본 소재인 금속분말 산업에 대한 지역 업체 발굴과 유치가 3D 프린팅 산업의 융성을 위해서는 필수적으로 필요함을 강조하고 싶다.
이러한 사항을 고려해 울산시가 야심차게 준비해 오는 13일부터 시작하는 '3D 프린팅 테크페스타 2018'에 큰 관심을 가져주길 바란다. 특히 3D 프린팅 소재를 연구하는 입장에서 14일 개최되는 금속 3D 프린팅 국내외 세미나에 많은 참석을 기대한다.
일본 큐슈대학의 H. Miura 교수는 항공용 티타늄 소재의 3D 프린팅 적용 연구결과를 발표할 예정이고, 국내에서는 현대중공업, 한화테크윈, 재료연구원, 울산대학교 등의 저명 연구자들이 소재 중심 최근 연구 결과를 발표할 예정이다. 앞서 저자가 언급한 3D프린팅 분말의 기본 특성을 기억하면서 세미나 강연을 듣는다면 좀 더 깊은 이해가 되리라 생각된다.