적층가공과 후처리

금속부품을 3D 프린팅하여 완전히 새로운 기능을 가진 스마트 제품을 만들 수 있다. 단점이 있다면 후처리가 뒤따른다는 것이다. 이에 대해 한 대학에서 새로운 해법을 찾았다.

 

미하엘 포겔(Michael Vogel)

 

기어 휠은 많은 드라이브에서 없어서는 안 되는 중요한 부품이다. 이런 점에서 기어 휠은 상당히 일반적인 제품이라 할 수 있다. 알렌 대학의 교수이자 엔지니어이인 마르쿠스 메르켈 교수의 책상에 있는 제품들은 이런 차원에서 다른 기어휠과는 확연히 구분된다. 이 교수가 갖고 있는 기어 휠 내부에는 빈 공간을 포함하고 있다. „우리는 빈 공간으로 추가적인 이점을 제공합니다.“(마르쿠스 메르켈) 메르켈은 자신의 연구그룹과 함께 금속분말로 기어 휠을 프린팅한다. 그의 연구 팀이 연구에서 염두에 두고 있는 적용사례에는 전기 드라이브와 온도 변화에 도출되는 기어를 포함된다. 3D 프린팅은 한 번의 프로세스로 동시에 공동부를 만들 수 있다. „이는 기존의 전통적인 절삭가공으로는 불가능합니다.“(마르쿠스 메르켈)

             기어 휠이 내부 공동부로 인해 가벼워지고 질량 관성이 낮아져 가속과 제동에 필요한 에너지도 줄어든다. 또한 공동부에 냉각액이 통과하면 외부 냉각이 필요 없고 필요한 공간이 줄어든다. „공동부에 센서나 액추에이터를 통합할 수도 있습니다. 그렇게 되면 기어 휠은 상위 어셈블리와 통신할 수 있고 문제 소지가 있는 온도변화를 실시간으로 알려, 기어 휠이나 기어에 손상이 가기 전에 시스템이 대응할 수 있습니다.“(메르켈)

             현재 적층가공은 많은 연구기관과 기업에서 활발하게 연구가 진행되고 있다. 메르켈 교수는 알렌 대학의 흥미로운 접근법을 다음과 같이 설명하였다. „대학에서 분말 재질과 프린팅 기술, 후처리 등 전체 사이클을 연구하고 있습니다. 여기에서 공부하고 연구하는 연구원들은 복잡한 프로세스를 이해하고 서로 연결시켜 사고할 수 있습니다.“ 부품 설계와 기계적 특성은 컴퓨터의 지원으로 디지털 방식으로 이루어집니다. 실질적인 3D 프린팅은 디지털 데이터를 근거로 제작한다. 여기에 공구나 금형은 필요 없다. 만들어진 부품의 품질 분석으로 광범위한 디지털 3D 데이터를 제공하며, 이러한 데이터는 재료나 기술 개선을 다시 투입할 수 있다.

 

레이저 펄스를 이용한 마무리

일반적으로 3D 프린팅한 기어 휠은 표면이 밀링으로 가공했을 때보다 훨씬 거칠다. 해럴드 리겔 교수 팀의 연구원이자 박사과정인 시몬 룩은 동료들과 함께 거친 표면을 매끈하게 처리할 레이저 기술을 연구하고 있다. „이런 유형의 후처리는 매우 신중하게 다뤄야 합니다. 잘못하면 프린팅된 제품을 못 쓰게 됩니다.“ 프린팅한 기어 휠 표면에는 제조 중에 많은 분말입자가 붙어 있다. 이를 제거하기 위해 표면을 1마이크로초 보다 짧은 레이저 펄스로 가열한다. „이렇게 표면에 붙어 있는 불순물과 산화층을 제거하지만, 많은 에너지를 공급하면, 반응이 격렬하여 표면에 구멍이 생길 수 있어 주의가 필요합니다.“ 표면처리 후 표면 거칠기를 1/40로 줄이는 레이저 연마가 이어지면, 0.2 μm 미만의 „산술적 평균 거칠기“가 달성할 수 있다. 표면 가장자리에서 한 번 더 용융이 일어나는 레이저 연마는 3D 프린팅과 똑같은 순수한 재료를 전제 조건으로 한다. 이 때문에 기존 방식으로 제작된 금속 부품이 문제가 되는 경우가 많다.

             3D 제품의 표면 후처리는 그 동안 제조산업에서 수작업으로 이루어졌다. „우리는 이를 자동화하기 위해, 윤곽을 따라 정확하게 움직일 수 있는 로봇을 레이저 연마에 사용합니다.“(시몬 룩) 알렌 대학의 연구원들은 스마트-Pro 프로젝트의 범위에서 이 방법을 더욱 개선하기 위해 연구하고 있다.

 

금속 분말이 프린터에 적응한다

복잡한 구조를 적층가공으로 만드는 것은 간단하다. 문제는 표면의 거칠기인데 이는 후가공이 뒤따른다.

기어 휠 프린팅을 위한 처음 재질은 분말 형태의 알루미늄 합금이다. 하지만 이 재료를 품질을 충족하기 위해 사용하는 3D 프린터 공정에 맞추어 적응해야 한다. Dr. 티모 베른탈러는 학장인 게르하르트 슈나이더 교수와 IMFAA(재료연구소) 재료 과학자이자 박사과정인 팀 슈베르트가 이 과제를 담당하였다. „프린팅이 만족할만한 결과를 제공하지 못한 데에는 여러 이유가 있습니다. 각각 다른 배치의 분말에 포함된 습도가 다르기 때문입니다.“(팀 슈베르트) 그는 동료들과 함께 다양한 장치로 분말의 특성과 프린팅 결과물을 분석하여, 이들이 3D 프린팅의 선택한 각각의 공정 매개변수와 조화를 이루게 하는 등, 팀워크를 통해 프린팅에 이상적인 설정을 찾아내고 있다.