레이저 적층 가공

의료계에서 3D 프린팅이라는 뜨거운 주제가 사람들의 입에 오르내리는 동안, 아헨 프라운호퍼 연구원들은 LAM(Laser Additive Manufacturing, 레이저 적층 제조)에 주목하였다. 이 기술을 제조 산업에 갖다 주는 것은 단순히 특급 3D 프린팅이 아닌 그 이상의 무엇이 있을까? 

공학박사 니콜라우스 페히트: 프리랜서 저널리스트

아헨의 프라운호퍼 ILT(레이저기술 연구소)는 이미 오랜 기간 실무를 통해 검증된 두 가지 LAM법, 즉 LMD (Laser Material Deposition, 레이저 증착)와 SLM(Selective Laser Melting, 선택적 레이저 용융)이 최종 윤곽에 가까운 수리를 위해 또는 금속 부품 제작을 위해 개발하였고, 프라운호퍼 ILT는 SLM의 형성 속도를 2003년부터 1mm3/s에서 20mm3/s로 높였다. 프라운호퍼 연구소의 전문가들은 프로세스도 최적화하였다. “형성 속도를 개별적으로 맞출 수 있어, 외부 윤곽은 정확도를 높여 천천히 제작하지만, 내부 홈은 매우 빠르게 단계적으로 만들 수 있었습니다.“(ILT 잉고마르 켈바사 박사) 50μm 두께 층으로 윤곽을 만든 후(레이저 출력: 350W, 빔 직경: 200μm), 코어는 200μm 두께의 층으로 만든(레이저 출력: 1000W, 빔 직경:1000μm) 스테인레스 스틸 부품이 그 예이다. 그러한 제작 프로세스를 더욱 가속화하기 위해, 프라운호퍼 연구원들은 그간 SLM과 관련하여 더 높은 레이저 출력으로 작업하였다.

레이저 적층 가공 3
Dr. 요하네스 비첼(왼쪽)과 Dr. 크리스티안 암츠, Additive Manufacturing GmbH의 Acam Aachen Center 대표: “우리는 제조 산업에 적층 가공을 제공하기 위해 아헨의 여러 협회들이 함께 모였습니다.“

적합한 분말이 필요하다

문제는 원료, 즉 금속 분말에 있다. 잉고마르 켈바사 박사는 합금에 부분적으로 남아있는 질소 함량이 너무 높은 것이 걱정이었다. “니켈 베이스 합금의 높은 질소 함량, Inconel 718의 높은 함량은 티타늄 질화물을 형성하고, 이 티타늄 질화물은 재료 매트릭스에 미세 균열을 초래합니다. 문제는 수 많은 금속 분말이 용사법을 위해 수십 년 전에 개발되었다는 것인데, 아직까지는 LAM에 딱 맞는 분말이 존재하지 않습니다.“(잉고마르 켈바사) 또한 적절한 소프트웨어도 아쉽다. “유감스럽게 지금까지 프로세스 전문가들이나 진정한 3차원 복합재료 디자인이나 두께가 얇은 그리드 구조물과 같이 섬세한 형상을 위한 CAD 소프트웨어와 시뮬레이션 툴이 아직 없습니다.“(잉고마르 켈바사)

레이저 적층 가공
레이저 용융법으로 형상이 복잡하여 종래의 방법으로는 제작하기가 어렵거나 전혀 제작할 수 없는 부품을 금속으로 제작한다 (사진은 유성 기어 모델).

움직이는 3D 모델에 대한 꿈

“여러분들이라면 어떤 새로운 사업 모델을 생각할 수 있습니까?“프랑크 필러 교수는 새로 설립된 Additive Manufacturing GmbH의 Acam Aachen Center 워크숍에서 잠재적인 사용자들에게 던진 질문이다. 그런데 아헨 공과대학의 기술 및 혁신 관리 교수들도 놀라게 한 아이디어가 있었다. 한 PR 매니저가 새로운 거대한 공작 기계의 성능을 실제와 유사하게 컬러로 고객에게 보여주는 움직이는 3D 모델, 즉 “만져볼 수 있는 가상 기계“를 꿈꾼다고 하였다. 다른 참가자는 “온디맨드 예비 부품“을 상상하였다. 그 참가자의 경우는 콘체른을 대신해 예비 부품 인쇄를 담당하는 전세계적인 3D 프린팅 숍 네트워크를 생각할 수 있을 것이다. 한 참가자는 층층이 쌓는 것만으로도 제작되는, 복잡한 형태의 구성품을 사용하는 것을 매우 흥미로운 일이라 말하였다. 프랑크 필러는 그 견해를 마음에 들어 하면서도 동시에 경고하였다. “전체 비용을 정확하게 고려하여 사업 모델을 계산하고, 이를 가능한 출력 이익과 품질 이익을 관련 지어 생각해 보십시오.“ 이 말은 수많은 3D 프린트 프로젝트에 확실히 귀담아 들어야 할 경고이다. 또한 프랑크 필러는 그 자신이 3D 프린트 업체(뒤셀도르프의 Doob AG)에 관여하고 있기 때문에 그가 말하는 것이 무엇을 의미하는지 안다.