Heraeus, 텅스텐으로 3D 프린팅하기

금속 3D 프린팅은 고난도 작업이다. 그 가운데 텅스텐은 더욱 어렵다. 난융 금속인 텅스텐은 높은 강도와 밀도를 제공하지만 용융점이 높다는 단점이 있다. 그럼에도 불구하고 텅스텐을 3D 프린터에서 안정적이고 기계적으로 부하 지지 능력이 높은 제품으로 가공하는 데에 성공하였다.

카타리나 라이헬(Katharina Reichel): Heraeus 국제 미디어 매니저

핵심 내용

  • 프로세스가 적합하지 않다면 텅스텐으로 3D 프린팅한 제품은 구멍이 생기고 균열이 생길 수 있다.
  • 텅스텐은 EBM으로 작업할 것을 권장한다.
  • 텅스텐은 밀도가 높기 때문에 3D 프린터 장치에 변화가 필요하다.

텅스텐의 용융점은 3,422° C이다. 용융점이 이처럼 높은 금속은 별로 없다. 따라서 텅스텐은 오븐과 같은 고온 어플리케이션이나 유리 산업의 팬 재료 그리고 전기 고압 라인에 적용하기가 유리하다. 또한 19.3g/cm³의 높은 밀도 덕분에 방사선 차폐나 의료 측정기 및 X선 장치에서 평형 추로 사용할 수 있다. 난융 금속인 텅스텐의 이러한 특성은 새로운 도전 과제를 제공한다. 텅스텐은 융점이 높아, 원하는 형태로 주조하기 어렵기 때문에, 텅스텐을 단조할 경우 상당한 주의가 필요하다. 또한 실온에서도 잘 부서지고 성형이 거의 불가능하여, 복잡한 형상은 기존의 방법으로 성형하기가 매우 어렵다. 따라서 텅스텐을 3D 프린팅으로 가공할 수 있는 공급자는 별로 없다. 프로세스가 올바르지 않다면 3D 프린팅한 제품에 구멍이 생기고 균열이 생긴다. 이는 기계적으로 부하 지지 능력이 거의 없다는 의미이다.

Heraeus 적층 가공 팀도 이런 문제를 잘 알고 있었다. “우리는 그리드 구조를 갖는, 형상이 최적화된 장입 장치를 제조합니다. 고객은 이 장치로 제품의 열처리 프로세스에 이용합니다.”(Dr. 베라 위히터, Heraeus 프로젝트 매니저) 제품을 운반하는 이 장치는 강하고 열처리를 견뎌야 하며, 변형되거나 산화되면 안 되고, 여러 차례 사용할 수 있어야 한다. 또한 1500° C를 넘는 온도를 견뎌야 하기 때문에 이 장입 장치에 적합한 금속이 별로 없어 Heraeus 팀은 텅스텐으로 결론을 내렸다. 텅스텐은 이 온도에서 안정적이고 화학적으로 내성이 있었다. 일반 강은 이렇게 높은 온도에서 그냥 녹아버린다. 이 장입 장치는 기계적 부하도 견뎌야 하기 때문에 Heraeus의 노하우가 큰 도움이 되었다.

텅스텐은 EBM 방식으로 적층 가공한다.

“기존의 LBM 프린팅 프로세스는 우리에게 잘 맞지 않았습니다. 최종 제품에 다공률이 너무 컸기 때문에 부득이 EBM 법을 선택해야 했습니다.” EBM은 융점이 높은 텅스텐에 적합하였다. 텅스텐은 전자 빔 기반 3D 프린터(Electron Beam Melting)에서 제공되는 빔 출력을 통해 레이저 빔 기반 3D 프린터(LBM, Laser Beam Melting, 또는 SLM, Selectiv Laser Melting, 선택적 레이저 용융)에서 밀도가 높은 부품으로 가공할 수 있다. 조형 공간에 지배적인 진공 조건도 장점이다. 진공이 재료 품질을 높이기 때문이다. “진공으로 제품에 산소 유입을 차단하고, 고순도 가공이 가능하여 매우 단단한 구조를 얻을 수 있습니다.”(베라 위히터)

이 장입 장치는 Heraeus가 고객으로부터 주문을 받아 텅스텐으로 적층 가공한 것이다.

텅스텐은 실온에서도 잘 부서진다.

하지만 3D 프린팅 방법을 바꾸는 것만으로는 이 장입 장치에 대한 바람직한 해법이 되지 않았다. 텅스텐이 실온에서 잘 부서지기 때문이다. Heraeus 팀은 예열된 조형 공간에서 기계적으로 부하를 견딜 수 있는 형태로 만들 수 있는 방법을 찾았다. ”프린터 조형판을 1,000° C가 넘는 온도로 유지하고, 동시에 과열을 막기 위해 프린터의 기계요소 및 전자 요소 온도를 내려야 했습니다.”(베라 위히터) 이런 온도와 300mm의 조형물 높이로 인해 기존의 3D 프린터 그리고 기존 수냉 시스템은 한계에 부딪혔다.

텅스텐은 밀도가 높고 매우 무겁다

텅스텐은 밀도가 높고 매우 무겁다. 주문받은 장입 장치의 경우, 분말 무게가 약 340kg이며, 이는 대부분의 3D 프린터의 기계적 구성 요소에게 무거운 무게였다. “텅스텐의 높은 밀도와 무게 때문에 50 시간 동안 안정적인 프로세스를 유지하기 위해서 스퀴지 시스템과 분말 공급 시스템을 최적화해야 했습니다.”(베라 위히터) 새로 개발한 방법은 오븐 제작이나 방사능 보호 어플리케이션, 의료 기술 등 텅스텐을 이용할 수 있어 완전히 새로운 가능성을 열었다.

텅스텐 외에 다른 소재들도 3D 프린팅을 위해 연구 중이다

화학적 프로세스 기술을 이용한 히트 쉴드는 니오브로 적층 제작하였다.

“당사는 미래의 어플리케이션을 위한 신소재 개발을 위해 160여 년 간 축적한 전문 지식을 적용합니다.”(알렉산더 엘젠, Heraeus Additive Manufacturing 헤드 오브 이노베이션) 텅스텐 적층 가공에서 이 업체의 소재 및 프로세스 노하우가 결정적인 요소가 되었다. 텅스텐 분말이 적합한 프로세스 외에 적용 사례와 공법이 적합하게 조율되기 때문이다. Heraeus는 다른 난융 금속에 대한 최적화된 방법과 3D 프린팅을 위한 새로운 솔루션을 연구를 계속하고 있으며, 여기에는 초전도 어플리케이션이나 화학 반응 기술의 구성 요소를 위해 니오브도 포함된다. 이 경우에도 초점은 소재 분말에만 있지 않고, 재료, 프로세스 그리고 제품 형상 측면에서 프린팅 프로세스, 부품 제작 그리고 개별 고객 컨설팅을 함께 고민하고 개선하고 있다. “적층 가공의 잠재력이 활용된 것은 그리 오래되지 않았습니다.”(알렉산더 엘젠)