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항공기·선박 금속부품 출력하는 3D 프린팅 기술 나왔다

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항공기·선박 금속부품 출력하는 3D 프린팅 기술 나왔다

2021.04.15 15:02
금형을 제작하고 있는 와이어 아크 3D 적층 시스템. 생기연 제공.
금형을 제작하고 있는 와이어 아크 3D 적층 시스템. 생기연 제공.

국내 연구진이 금속 3차원(3D) 프린팅에 최신 용접기술을 접목해 항공기나 선박 부품이나 금속을 녹여 금형에 밀어넣는 ‘다이캐스팅’ 금형을 신속하고 저렴하게 만들 수 있는 기술을 개발했다. 

 

한국생산기술연구원은 지창욱 첨단정형공정연구그룹 선임연구원 연구팀은 최신 용접기법으로 금속 와이어를 빠르게 쌓는 ‘와이어 아크 3D 적층 제조방식’을 개발했다고 15일 밝혔다. 

 

금속 3D 프린터는 복잡한 형상의 금형도 높은 정밀도로 맞춤제작이 가능하다. 선박, 항공기 등 중대형 부품에서 부가가치가 높다. 다품종 소량생산이 필요한 금속 부품의 경우 3D 프린트는 가장 효율적인 대안으로 꼽힌다. 

 

기존 금속 3D 프린팅 분야에는 ‘PBF(Powder Bed Fusion)’ 방식이 쓰였다. 파우더 분말을 평평히 깔고 레이저를 선택적으로 쏴 결정을 만들거나 녹여 적층하는 방식이다. 고출력 레이저 장비와 분말 재료가 비싼 데다가 오랜 시간 한 층씩 쌓아올려야 하기 때문에 금형이 커질수록 제조 단가가 비싸지고 생산성은 떨어지는 게 단점이다. 대형 금속 3D 프린터 1대당 가격이 약 10억원 이상이다. 

 

연구팀이 개발한 와이어 아크 3D 적층 제조방식은 3D 프린팅의 또다른 방식인 ‘DED’와 유사하다. DED는 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 쏘면 순간적으로 녹는 동시에 금속 분말도 공급해 실시간 적층하는 방식이다. 연구진은 열원을 레이저 대신 고온의 전기불꽃 ‘아크(Arc)’를 사용하고 금속 분말이 아닌 ‘와이어’를 녹이는 방식을 적용했다. 

 

연구팀은 또 용접기와 로봇, 적층 경로 설정 소프트웨어 등을 하나의 시스템으로 통합하고 와이어 소재, 작업 온도, 가스 유량 등 각종 공정 변수에 대한 데이터베이스를 구축해 3D 프린팅에 적합하도록 최적화했다. 

 

제작할 제품이나 부품 도면을 시스템에 입력하면 경로 설정 소프트웨어가 최적 적층 경로를 정한다. 이어 로봇팔에 부착된 용접 토치가 경로를 따라 와이어를 녹이며 자동으로 적층한다. 이 방식을 활용하면 부품 제작 속도가 기존 주조 공법보다 2배 이상 빠르다. 다이캐스팅 금형의 경우 제조단가는 약 20%, 소재 손실률은 80% 낮춘다. 장비 구축비용도 대형 3D 프린터의 10분의 1 수준에 불과하다. 

와이어 아크 3D 적층 시스템으로 제작한 2m 크기의 대형 선박 프로펠러. 생기연 제공.
와이어 아크 3D 적층 시스템으로 제작한 2m 크기의 대형 선박 프로펠러. 생기연 제공.

연구팀은 이번에 개발한 기술을 이용해 통상 2개월 가량 걸렸던 2m 크기의 대형 선박 프로펠러를 3주만에 제작했다. 강도와 내구성에서 우수성도 인정받아 선박의 외항 항해를 인증하는 보증서인 ‘선급 인증’도 받았다. 

 

지창욱 선임연구원은 “이번에 개발한 기술은 중소 제조업체들도 쉽게 도입할 수 있는 게 장점”이라며 “적용 소재를 철, 알루미늄뿐만 아니라 경량화에 필요한 마그네슘 합금으로 확대해 항공부품 제작에 활용할 계획”이라고 밝혔다. 

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