제작 공정 조절, 금속 내부 구조·성능까지 설계하는 기술로 발전 가능성 제시
포스텍 연구팀이 금속 3D 프린팅으로 제작한 스테인리스강의 내부 구조가 일반 제품보다 최대 약 2배 높은 강도를 구현하는 비결을 밝혀냈다.
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| ▲ 포스텍 친환경소재학과·신소재공학과 김형섭 교수(왼쪽), VF space 양준영 대표. [포스텍 제공] |
포스텍은 친환경소재학과·신소재공학과 김형섭 교수 연구팀이 금속 3D 프린팅 기업 VF Space(브이에프스페이스) 연구팀과 함께 레이저로 금속 와이어를 녹여 쌓은 스테인리스강이 일반 제품보다 최대 약 2배 높은 항복강도를 보인다는 사실을 확인했다고 9일 밝혔다.
이번 연구는 재료공학 분야 국제 학술지 'Materials Science and Engineering: A' 온라인판에 게재됐다.
금속은 녹이고 식히는 방식에 따라 성질이 달라지는데 최근 금속 와이어를 레이저로 녹여 쌓는 3D 프린팅이 큰 부품도 효율적으로 만들 수 있어 주목받고 있다.
그러나 이렇게 만든 금속의 속이 어떻게 바뀌고 얼마나 튼튼한지는 충분히 밝혀지지 않았다. 이를 정확히 알아야 산업 현장에서 쓸 수 있다.
이번에 사용한 316L 스테인리스강은 바닷물에도 잘 녹슬지 않아 주방용품부터 의료기기, 선박, 화학 설비까지 널리 쓰인다. VF Space는 금속 3D 프린터로 지름 1mm 316L 스테인리스강 와이어를 레이저로 녹여 한 층씩 쌓아 가로·세로·높이 4cm의 금속 블록을 만들었다.
포스텍 연구팀은 이 블록을 서로 직각인 세 방향으로 잘라 양쪽에서 잡아당기는 실험을 하고 전자현미경과 방사광가속기, 컴퓨터 시뮬레이션으로 내부를 살펴 '얼마나 강한가'와 '왜 강한가'를 확인했다.
실험 결과, 항복강도는 방향에 따라 약 444~514MPa로 나타났다. 항복강도는 금속이 힘을 받다가 원래대로 돌아오지 못하고 휘어지기 시작하는 지점이다.
이 수치는 일반 압연 제품의 약 256MPa보다 70~101% 높은 값으로, 가장 강한 방향에서는 약 2배에 달했다. 또한 금속은 단단해질수록 쉽게 부러지는데 이 금속은 원래보다 37~46% 늘어날 때까지 끊어지지 않고 안정적으로 버텼다.
비밀은 금속 속에 고르게 퍼진 '델타 페라이트'라는 미세 조직이었다. 금속은 원자 배열 속 '어긋남(전위)'이 미끄러지듯 움직이며 휘어지는데 레이저로 순간 녹였다가 빠르게 굳히는 과정에서 생긴 '델타 페라이트'는 이 어긋남이 움직이는 길을 막는 버팀목 역할을 했다.
또한, 이 조직은 일부 구조가 벌집처럼 생겨 한데 힘이 몰리는 것을 막아 금속이 고르게 버틸 수 있도록 했다.
대학과 기업이 산학협력을 통해 함께 진행한 이번 연구는 금속 3D 프린팅이 모양을 만드는 기술을 넘어, 금속의 속까지 설계하는 기술로 나아갈 수 있음을 보여줬다.
같은 힘을 견디면서도 더 얇고 가벼운 부품이나 더 오래 쓰는 부품을 만드는 길도 열릴 수 있다. 연구팀이 밝힌 공정과 속 구조, 강도 사이의 연결 고리는 원하는 성능에 맞춰 공정을 조절하는 '레시피'가 될 전망이다.
선박이나 플랜트처럼 크고 튼튼한 금속 부품이 필요한 산업 현장에서도 활용이 기대된다.
포스텍 연구팀 관계자는 "이번 연구는 금속 3D 프린팅을 단순히 원하는 모양의 부품을 만드는 기술에서 나아가, 제작 공정을 조절해 금속 내부 구조와 성능까지 설계하는 기술로 발전시킬 가능성을 제시했다"고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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