Special 소재산업 제조혁신을 위한 3D 프린팅 기술개발 동향(2)

3D 프린팅 공정에서 세라믹 주형 및 중자의 강도 향상

김은희_창원대학교 융합부품소재연구센터 연구교수
정연길_창원대학교 신소재융합공학부 교수

1. 서론
 
현재의 제조업은 전통 제작기술의 한계점을 극복하지 못해 낮은 생산성 및 높은 재고율 등의 문제점을 가지고 있으며, 특히 복잡형상 부품·제품의 제작을 위한 정밀주조 공정은 많은 한계점을 가지고 있다. 따라서 세계적으로 간단하면서 정밀하게 복잡한 형태의 부품·제품을 제작할 수 있는 3D 프린팅 기법에 관심이 집중되고 있다(그림 1). 3D 프린팅 공정은 제품을 설계하는 모델링 공정, 디지털화된 모델을 적층하여 입체물을 만드는 프린팅 공정, 최종적으로 표면을 연마하거나 염색하는 후처리 공정의 3단계로 나누어진다(그림 2). 전 공정을 처리하기 위해서는 광학기술, 전기∙ 전자, 기계, 소프트웨어, 재료 등 종합적인 기술력이 필요한 분야이며, 재료, 층(layer) 적층 방법, 상이한 층들을 결합시키는 방법 등을 달리하여 최종 부품의 정확성, 재료적·기계적 특성 같은 요소를 결정할 수 있다.

그림 1. 기존 제조업과 3D 프린팅 기반 제조업의 비교[1]

그림 2. 3D 프린팅에 의한 제작 공정[2]

  3D 프린팅은 소재별 분류로 보면, 플라스틱계가 가장 많이 사용되고 있으며, 금속 소재에 대한 적용을 통해 수년 내에 자동차와 항공기, 선박 부품 등의 대량 생산 가능성을 전망하고 있다. 그러나 아직 세라믹 관련 3D 프린팅 기술은 유리소재(soda-lime glass)에 대한 것과 상대적으로 낮은 온도(600 ℃)에서 활용될 수 있는 것 등 국한적인 부분에 대해서만 연구·개발이 진행되고 있는 실정이다. 30여 년 전부터 발전을 거듭해온 고분자나 금속 등의 3D 프린팅 산업 분야에 비해 세라믹 기반 3D 프린팅 산업은 그 연구 규모나 다양성이 크게 뒤쳐져 있으며, 3D 프린팅 소재 관련 특허 분석 결과를 봐도 타 소재에 비해 형성되어 있는 시장 규모나 기술력의 차이를 알 수 있다(그림 3). 즉, 3D 프린팅된 구조체가 최종제품이 될 수 있는 고분자와 금속에 비해 세라믹은 그렇지 않아 세라믹 3D 프린팅에 대한 관심도가 낮다. 또한 프린팅 후 반드시 탈지와 소결 등의 후처리 공정이 필요하고, 이에 따른 구조체의 신뢰성 저하(결함)가 발생될 수 있다.

그림 3. 3D Printing 소재 특허 현황[3]

  현재 상용화 되어 있는 세라믹 3D 프린팅 기술은 소재와 시스템을 따로 판매하기도 하는 타 기술(플라스틱, 금속을 적용한 3D 프린팅 기술)에 비해 소재, 시스템 및 공정까지 full-set로 판매되고 있으며, Binder Jetting (BJ) : 접착제 분사방식, Fused Deposition Modeling (FDM) : 열가소성 수지를 용융시켜 적층, Materials Extrusion (ME) : 페이스트를 밀어내 적층 하는 재료 압출방식, Photo Polymerization (PP) : 광중합방식이 가장 활발히 활용되고 있다[4]. 일반적으로 금속 소재에 적용되고 있는 분말적층용융방식 (Powder Bed Fusion)의 세라믹 적용도 시도됐지만, 열충격 및 팽창에 의한 구조체 균열발생 제어의 한계와 고밀도화를 위한 추가적인 소결이 필요해 상용화 기술에는 제한적이다. 따라서 상용화된 세라믹 3D 프린팅 기술은 도자기전용 저가 프린터와 high-end 제품(대부분 바이오 세라믹)을 위한 고가의 프린터 및 소재로 나뉘며, 특히 유럽이 강세를 보이고 있다(그림 4 및 그림 5).

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