과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 이하 재료연) 분말재료연구본부 김경태 박사연구팀이 ㈜현대자동차, 포항공대(김형섭 교수)와 공동 연구를 통해, 차세대 모빌리티 부품용 고강도 알루미늄합금의 3D프린팅 전용 분말 소재 제조기술을 국산화하고, 공정 과정에서 발생하는 응고 균열 거동 문제를 사전에 예측하는 모델을 세계 최초로 제시하는 데 성공했다.

 

지금까지는 금속 3D프린팅 전용 고강도 알루미늄 분말 소재 기술과 균열 등 결함 예측 기술이 각기 따로 개발되어, 통합 솔루션 제공에 어려움이 있었다. 특히, 종래의 응고 균열 거동 예측 모델은 균열 발생의 경향성은 알 수 있지만, 응고 균열 발생의 임계점 예측이 어려워 재료와 공정에 변화가 있을 때마다 임계점을 실험해 직접 찾아야만 했다.

 

이번에 개발한 기술은 레이저 기반 3D프린팅 공정 특성을 고려한 고강도 7000계열 알루미늄합금 복합분말 합성공정을 국산화하고, 이와 함께 공정 과정에서 균열이 발생하는 조건을 세계 최초로 수치화했다. 균열생성 임계점 예측이 가능해 고강도 알루미늄 3D프린팅 부품 제조에 최적의 솔루션 제공이 가능하다. 이로 인해 항공·우주·모빌리티 분야 핵심소재인 7000계열 알루미늄합금의 3D프린팅 공정 적용이 가능해짐에 따라 향후 개발기술의 광범위한 활용이 기대된다.

 

기존의 7000계열 고강도 알루미늄합금은 응고 균열로 인해 레이저 기반 3D프린팅이 불가능했다. 이를 개선한 분말이 보잉社, GM社의 공동연구로 개발된 바 있지만, 기술의 내재화로 인해 국산화를 위한 기술적 장벽이 높은 편이다. 본 기술은 개발 복합분말을 사용하여 레이저 공정 조건을 적절하게 조합하면 균열이 없고 Al-Si계열 적층소재와 비교해 2배 이상의 항복강도를 가진 알루미늄합금을 제조할 수 있다. 경제성과 물성을 동시에 확보하는 방향성을 제시해 그 의미가 크다.

 

3D프린팅용 알루미늄합금 분말 시장 규모는 2018년 8.56백만 달러에서 2023년 40.53백만 달러로 빠르게 성장하고 있다(출처: Smartech publishing, 2018). 하지만, 3D프린팅용 고강도 알루미늄합금 소재는 해외 선진기업에 의해 고가에 독점 공급되고 있어, 이번 기술개발을 통해 국산화에 의한 수입 대체 효과는 물론, 분말과 공정을 결합한 통합 솔루션의 수출 또한 가능할 것으로 전망된다.

 

연구책임자인 재료연 김경태 책임연구원은 “본 기술은 현재 전량 수입에 의존하는 3D프린팅용 금속 분말 소재 분야에서 고부가가치 경량 알루미늄합금 분말의 국산화 방향을 제시할 모델이 될 것.”이라며, “향후 소재와 연계한 공정 기술의 저가격 상용화를 위해 국내 금속 3D프린팅 수요 및 분말 생산업계와 면밀한 협업이 요구된다.”라고 말했다.

 

이번 연구성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 한국재료연구원 주요사업과 ㈜현대자동차 수탁사업, 그리고 포항공대의 금속적층제조 소재부품 연구센터사업을 통해 수행됐다. 또한 연구 결과는 3D프린팅 분야 세계 1위 학술지인 애디티브 매뉴팩쳐링(Additive Manufacturing, IF: 11.31)誌에 1월 25일자로 게재됐다(제1저자: 재료연 최중호 연구원).

 

현재, 연구팀은 ㈜현대자동차, 포항공대와 지속적인 공동 연구를 통해 3D프린팅 알루미늄합금 물성 고도화 및 전용 알루미늄 분말 대량 제조 원천기술 확보를 위한 후속 연구를 진행 중이다.

 

▲ 3D프린팅용 알루미늄합금 분말 및 응고 균열 수치해석모델 식을 나타낸 그림

▲ 3D프린팅용 알루미늄합금 분말을 이용한 레이저 기반 3D프린팅 공정 및 적층조형체 특성

 

■ 논문 정보

*제목: A novel route for predicting the cracking of inoculant-added AA7075 processed via laser powder bed fusion

*URL: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103370

 

-출처: 한국재료연구원 연구성과