#1 🐰 금속장비 생산 단가가 내려갈 것 같다고? 왜??

2023. 6. 26.

2023 / 06 / 26 월요일

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Data 1. 금속 적층 제조분야의 DED방식과 LMD기술의 차이점을 알아보고

Data 2. LMD-WP공정을 상용화한 브랜드 Meltio를 살펴봤어요.

Data 3. 열을 가해도 거의 팽창하지 않는 철 합금 인바(Invar)에 대해 알아봤어요.

🐰층층이: 저는 적층 가공으로 층층이 쌓아 만들어진 토끼에요! 여러분은 적층 가공이 무엇인지 알고있나요?

✅개념

▶최종 부품 사용? 가능하지! AM(Additive Manufacturing/적층 가공)

우리는 모델링 소프트웨어로 설계된 삼차원 데이터를 출력하는 공정을 3D 프린팅이라고 불러요. 3D프린터를 통해 출력한 출력물은 일반적으로 최종 부품이 아닌 시제품으로 사용되어왔고요. 그래서 2013년 미국의 오바마 대통령이 공식 석상에서 '3D 프린팅'이라는 언급을 하기 전까지는 빠르게 시제품을 제작하는 기술이라고 해서 RP(Rapid Prototyping)이라고 불렸어요. 최근에는 기술이 발달하면서 금속 출력물 외에도 절단 카본이 들어가거나 PEEK 소재 등으로 만들어진 출력물 중 최종 부품으로 사용할 수 있는 사례가 많아졌어요. 그래서 우리는 3D 프린팅 중에서도 출력하여 최종 부품으로 바로 사용할 수 있는 출력물을 제작하는 공정을 AM(적층 가공)이라고 말해요. AM은 금속(AM Metal)으로 작업할 수도 있고 폴리머(AM Polymer)로도 할 수 있답니다!

▶금속 형상을 제작하는 2가지 방법

적층 가공 기술로 금속 형상을 만드는 방법엔 크게 2가지가 있어요.

첫 번째는 플라스틱이나 레진 등 비금속 재료로 형상을 먼저 제작 한 후 주조과정을 통해 금속 출력물을 얻을 수 있어요. 두 번째는 금속으로 바로 출력하는 방식이에요.

🔍기술

아직도 재료를 하나만 써?

레이저 금속 증착 방식 (LMD-WP)

LMD(Laser Metal Deposition)는 재료가 고출력 레이저에 의해 생성된 용융 풀에 도입되는 용접공정을 말해요. 와이어 형태의 용접봉을 구슬 형태로 녹여 정확한 지점에 쌓아서 작동하는 직접 에너지 증착(DED) 공정에 속하는 방식이에요.

DED가 뭐더라?
직접 에너지 증착 방식(Direct Energy Deposition )

금속 적층 가공 방법 중 DED방식은 고출력 레이저, 전자빔, 플라즈마 아크 같은 에너지를 이용해 분말이나 와이어 등의 재료를 출력물의 표면에 바로 녹여 붙이며 적층하는 방식을 말해요.
어느 분야에서 사용해?

조직이 치밀해서 강도와 연신율 등 기계적 물성이 우수하고, 복잡한 형상을 실제 이론상 밀도와 유사하게 적층할 수 있어요. PBF(분말 소결 방식) 방식보다 출력 속도가 빠르고 모재 위에 다른 성능의 금속을 적층할 수 있어 표면 개질에 유리해서 원자력 부품에 적합해요.
단점은 뭐야?

복잡한 오버행(over-hang) 구조 제작은 불가능해요. 출력물의 내부를 비워서 제작하는 것이 부분적으로만 가능해서 경량화가 어렵고, 제작 방향성의 제약 때문에 구조 강성 향상을 위한 적층 제조에는 적합하지 않아요.

표면 상태가 균일하지 않아 두께 절삭 등 후가공 비용이 많이 들어요.

LMD-WP는 뭐야?

LMD-WP(Laser Metal Deposition-Wire Powder) 스페인의 금속 3D 프린팅 솔루션 개발사인 Meltio 에서 개발한 금속 증착 공정이에요.

Meltio는 무슨 회사지? 저렴하고 사용하기 쉬운 고성능 금속 3D 프린팅 솔루션을 개발하는 회사에요. Meltio의 금속 3D 프린팅 솔루션은 산업 인프라가 없는 사무실 환경이나 대학 연구실에서 산업 등급 부품을 설계할 수 있는 고유한 장비를 생산하고 있어요.

LMD-WP공정은 LMD공정과 거의 같은 방식으로 작동하지만, 증착 헤드의 중심축 주위에 고르게 분포된 광섬유 결합 다이오드 레이저를 사용하는 것이 특징이에요.

기존 DED 공정의 단점 극복했어💪

출력파트와 노즐 간의 거리는 좁히고, 구조 강성 향상을 위한 적층 제조를 할 수 있는 기술을 적용했어요.
출력 직후 표면 상태가 균일한 편으로 절삭 가공에 상대적으로 적은 시간이 필요하고, 추가적인 열처리 없이 사용할 수 있어요.
FDM 방식과 동일한 슬라이싱 소프트웨어 사용이 가능하여 별도의 고가 소프트웨어 없이 내부 경량화 구조체를 적용할 수 있어요.
Meltio헤드를 CNC 또는 로봇과 통합하여 다축 가공을 할 수 있고, 그러면 오버행 구조물도 제작할 수 있어요.

🐰층층이 다축 가공과 Intergration에 대해서는 다음에 더 자세히 다뤄볼 예정이에요.

두 개의 재료를 동시에 사용하는 게 가능해?

그럼요, 한 대의 장비에서 금속 와이어 소재와 금속 분말 소재를 교체하면서 각 요구사항에 맞게 사용할 수 있어요. 단, 파우더일 때는 파우더만 사용할 수 있고 와이어일 때는 와이어만 사용 가능하고요. 그 중, 와이어로 출력할 때, 두 개의 다른 합금 와이어를 5초 이내로 번갈아 가며 사용할 수 있는게 가장 큰 장점이에요.

그러면 뭐가 좋은데?

금속 적층에서 다중재료를 사용하는 건 까다로워요. 금속마다 융해 온도도 다르고 성질도 다르기 때문이에요. 다중재료 적층을 사용하면 다양한 성질의 물체를 제작할 수 있어요.

한 대의 장비에서 와이어와 분말 합금을 용도에 맞게 선택적으로 사용 가능해요.
내부에는 자성체의 철 합금을 외부에는 내식성이 높고, 강도와 경도가 높은 합금으로 물체를 제작할 수 있어요.
원하는 부위에 선택적으로 다른 경도와 강도 적용할 수 있어요. 이는 전체 범위에 높은 경도와 높은 강도를 가진 물체를 제작할 수밖에 없는 일반적인 DED방식과 큰 차이점이에요.

🧐서팀장의 TIP Inconel(인코넬) 합금의 경우 경도와 강도가 높으나 다른 STS(스테인레스 스틸) 합금에 비해서 고가입니다. 이때 선택적으로 Inconel 합금을 적용한다면, 원하는 용도로 사용도 가능하고 비용도 줄일 수 있습니다.

특허받은 레이저 헤드 기술

노즐을 교체하지 않고 금속 와이어와 금속 분말을 독립적으로 또는 동시에 사용하여 인쇄할 수 있는 기능은 Meltio가 금속 적층 제조 분야에 최초로 선보인 기술이에요.

거기에 높은 레이저 출력, 다중 와이어 피더 및 레이저 프로세스의 정밀도와 해상도를 유지하면서 높은 재료 증착 속도를 촉진하는 핫 와이어 피드 옵션을 통해 단일 기계 내부에서 와이어 DED와 분말 DED의 장점을 모두 활용할 수 있다는 게 특징이에요.

다른 장비와 Intergration을 통해 금속 코팅, 텍스처링, 광택 및 절단과 같은 다른 기능도 외부 장비 없이 수행할 수도 있고요.

높은 ROI(투자 자본 수익률)

Meltio의 LMD-WP 기술을 구현하는 장비들은 부품 제조 투자 수익률(ROI : return on investment)이 높아요. 바로 금속 와이어를 사용하기 때문에 재료비가 저렴하고, 공정의 전반적인 과정에서 아르곤가스, 절삭 및 후가공 등이 최소화되었기 때문이에요.

🔌장비

Meltio의 다중소재 기술(LMD-W) 활용

그 첫 번째 시리즈, M450

Meltio의 M450은 산업 인프라가 필요 없는 산업용으로 설계되어 저렴하고 안정적이며 안전하고 사용하기 쉬운 금속 3D 프린터에요.

산업용 시제품 제작, 금형 제조, 자동차, 항공우주, 기계 부품 제조, 철도, 군, 광업 등 다양한 산업에 최종 파트로 제공하는 것을 목표로 하며, 중소형 부품 제조 및 다중 금속 3D 프린팅 연구에 이상적이에요.

그리스의 금속 적층 가공회사인 Conify 사의 경우 금형의 제조 및 수리 등에 M450 모델을 실제 사용하고 있어요.

이중재료 사용할 수 있어👀 Meltio의 헤드는 2가지 금속 와이어 소재를 5초 안에 교체하며 사용할 수 있어요. 이 기능을 활용하면 서로 다른 두 가지 금속을 결합한 바이메탈(bi-metallic) 사례를 응용하여 출력할 수 있어요.

낮은 부품 제조비💰 Meltio의 모든 장비는 금속 와이어를 용접봉으로 증착하는 방식이에요 타 방식의 금속 소재 중 단가가 가장 저렴하다는 장점을 가지고 있어요. 금속 적층엔 아르곤 가스가 필수적으로 필요한데요, 아르곤가스를 빌드 챔버 전체 또는 열처리로 전체를 채우면 그만큼 제조비가 올라가요. Meltio헤드는 헤드 부피를 채울 정도의 가스만 필요하고, 사용을 위한 초기 세팅 및 사용 이후 소모되는 가스양이 상대적으로 적은 편이에요.

🧐서팀장의 TIP

- Meltio의 경우 분당 3~10L의 기화 가스를 소모합니다. (재료에 따라 편차 있음)

- PBF 방식의 금속 모델 중 가장 적은 양의 아르곤 가스를 사용하는 E브랜드에서도 분당 16L 전 후의 가스가 소모되는 것에 비하면 아주 적은 양이죠.

- E 브랜드의 경우 180L의 액화 아르곤을 기준으로 24시간 가동 기준 보름이면 교체가 필요합니다.

- 일반적으로 액화 아르곤 180L를 기화할 경우 141,480L의 기화 아르곤을 사용할 수 있으며, 장비에 유입되는 아르곤가스는 기화된 양을 기준으로 합니다.

안전성⛑️ 와이어 재료를 사용하기 때문에 일반적인 분진 재료를 사용했을 때 필요한 PPE(보호장구류)가 필요 없어요. 헤드 내부에 퓸여과 기능을 갖추고 있기도 하고요.

정확한 레이저 파워😎 레이저 등급 1 DIN-EN60825-4 으로 용융 풀 주변이나 하단의 레이어로 매주 작은 열 영향영역을 제공해요. 그래서 출력 도중 변형이 최소화되고 열응력이 감소하는 효과가 있어요. 200~1,200W 범위 내 6단계(200W, 400W, 600W, 800W, 1,000W, 1,200W)로 레이저 파워를 정확하게 조절할 수 있어요. 이는 200W가 필요할 때, 190W~210W 사이의 근사치로밖에 조정되지 않는 타사의 400W~1,000W 범위의 제품과 가장 큰 차이점이에요.

🌿소재

인바, 이 정도 열에는 끄떡없지!

안녕하세요! HDC의 서 팀장입니다.🧐

고온에서도 열팽창률이 변하지 않는 금속이 있습니다. 바로 인바(Invar)인데요,

230°C의 고온에서 거의 0의 가까운 팽창 계수로 불변하는(invariavle) 금속이라 인바(Invar)라고 불리게 되었다고 합니다.

인바는 일반적으로 36%의 니켈, 0.2%의 탄소, 0.4%의 망간, 이외에 철 성분이 포함된 합금입니다. 열팽창(CTE) 계수 최대 400°F(204°C)에서 탄소강의 약 1/10로 매우 낮고, 내식성이 우수해서 주로 정밀 기기, 과학 측정 장치, 극저온, 복합 금형 및 항공 우주 부품과 같이 정밀도와 안정성이 요구되는 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.

대표적으로 LNG(액화천연가스)의 운반선 재료로 매우 적합합니다. LNG는 영하 162°C의 환경에서 저장 및 운송해야 하는 특성이 있어 일반 강재로 만든 컨테이너에 저장할 경우 낮은 온도로 인해 운반선 전체가 파열되거나 심할 경우 거대한 폭발이 발생할 수 있기 때문입니다.

인바는 합금비율별로 다양한 종류가 있는데요, 니켈이 30~32% 정도 포함되는 슈퍼인바(Super Invar)와 높은 내식성과 경도를 가진 크롬을 12% 정도 포함한 엘린바(Elinvar) 등 다양한 니켈, 철 합금이 존재합니다.

매력적이지만 다루기 어려워😭

매력적인 금속 인바! 하지만 인바는 세계에서 가공하기 가장 어려운 금속 중 하나로 알려져 있죠.

용접 공정(TIG)법 사용 시 입열량이 크고 공작물 변형 및 열 균열에 대한 제어가 어렵습니다.
레이저 용접을 진행하더라도 에너지가 집중되는 부분과 가장자리 부분에서의 온도 차가 커서 열응력이 증가하게 됩니다.

인바의 용접은 아르곤(분위기 차폐 가스 농도는 99.999%), 텅스텐 아크용접으로만 가능하고, 주변 공기 건조 상태는 60% 이상, 용접하기 전 재료의 표면을 반드시 청소해 주어야 하는 등 다소 까다로운 가공 과정을 거쳐야 합니다.

AM 공정에서 사용 성공했어

복잡한 가공이 필수적인데도 불구하고 장점이 더 많은 인바는 AM(적층 제조)분야에서도 상용화하려는 다양한 노력이 있었습니다. 하지만, 제조 및 가공의 특수성으로 인해 최소 주조품의 기계적 물성과 유사한 정도가 나오지 않아 연구·개발 용도 이상으로 활용된 사례는 찾아보기 어려웠죠. 그리고 찾아온 2021년, 미국의 항공기 제조사 보잉(Boeing)에서 Lincoln Electric Additive Solutions사 협업으로 최초의 AM 방식을 활용한 항공기 부품을 제작하는 데 성공했습니다.

Lincoln Electric Additive Solutions사에서 사용한 AM 방식은 WAAM(Wire-Arc Additive Manufacturing/와이어 아크 적층제조)입니다. WAAM방식은 아크를 열원으로 와이어를 용융시켜 용접/적층하는 방식으로 LMD방식과 유사하지만 와이어의 굵기가 굵은 편이고, 용접위치가 정확하지 않다는 점 등 WAAM방식의 특성때문에 열응력이 높고 기계적 특성이 낮아 Near Net 형상 최적화를 위해서는 더 많은 가공 시간이 필요합니다.

그러면 Near Net 형상 최적화는 할 수 없는 거야?

최근 Meltio에서 인바(Invar36) 소재를 개발했습니다. 출력물의 밀도는 99.99%, 기계적 물성은 단조 이상으로 제작이 가능해서 우주항공 분야 외 다양한 분야에서 단조 이상의 부품 제조와 ROI가 극대화될 수 있을거로 전망하고 있습니다.

Meltio의 인바 합금의 탄소 0.35% , 니켈 36%, 망간 1.0%, 니오븀 2.5% , 티타늄 1.0% 외 철이 나머지 비율 구성입니다. 실제 독일의 금속 무역회사 Evek GmbH에서 상용화하여 유통한 인바 용접봉의 구성과 같으며, 기존 인바 소재들보다 우수한 용접 특성이 있습니다.