Meltio Engine과 HAAS 5축 CNC 장비를 결합해 와이어 레이저 증착, 공정 중 정밀 가공, 백금 회수 시스템 구현
영국 서잉글랜드대학교(University of the West of England, UWE)의 Bridge Studios에 위치한 **인쇄연구센터(CFPR, Centre for Print Research)**는 하이브리드 금속 3D 프린팅과 CNC 가공 기술을 활용해 새로운 제조 방식을 연구하고 있습니다.
이번 연구의 핵심은 금속 구조물을 제작하는 도중 내부에 결정 씨앗(Crystal Seed)을 정확하게 배치하고, 그 위치에서 보석 결정을 성장시키는 것입니다.
이 기술은 연구원 Sofie Boons가 주도하는 네오 젬스톤(Neo-gemstone) 프로젝트의 핵심 과제입니다. 보석, 조각, 제조 기술을 융합한 연구를 통해 기존의 채굴 방식이나 별도의 산업용 용광로에서 보석을 성장시키는 방식과 달리, 백금(Platinum) 구조물 내부에서 루비와 사파이어를 직접 성장시키는 것을 목표로 합니다.
새로운 보석 결정의 씨앗은 기존 보석에서 발생하는 잔여 소재, 절단 부산물 및 폐기물에서 확보합니다. 이를 금속 구조물 내부에 배치한 후, 결정 성장에 적합하도록 설계된 구조 안에서 보석을 성장시키는 방식입니다.
그러나 이 방식이 실현되기 위해서는 금속 구조물을 제작하는 동안 결정 씨앗이 손상되지 않아야 합니다. CFPR이 앞서 시도한 주조, 분말 베드 방식 등 기존 제조 기술로는 이러한 요구 조건을 충족하기 어려웠습니다.
이번 적용 사례는 UWE Bristol, Meltio의 공식 파트너사인 3DGBIRE, Create가 공동으로 개발했습니다.
2. 기존 주조 및 분말 베드 방식의 기술적 제약
- 정밀주조(Investment Casting)의 한계
백금 주얼리 제조에 일반적으로 사용되는 정밀주조는 왁스 패턴을 기반으로 세라믹 주형을 제작한 후, 왁스를 제거하고 용융 금속을 주입하는 방식입니다.
그러나 이 공정은 미세하거나 개방된 형상을 구현하는 데 어려움이 있습니다.
금속 냉각 과정에서 발생하는 수축과 주조 조건의 편차로 인해 제품 품질이 달라질 수 있으며, 주조에 실패하면 새로운 왁스 패턴을 제작해 공정을 다시 시작해야 합니다.
특히 정밀주조는 형상을 구현하는 데 적합하지만, 용융 금속이 흐르는 동안 섬세한 결정 씨앗을 특정 위치에 고정하는 데에는 한계가 있습니다.
주형 내부에 배치된 결정 씨앗은 용융 금속의 흐름이나 부력에 의해 위치가 변경되거나, 주입 과정에서 발생하는 열충격으로 손상될 수 있습니다.
백금은 녹는점이 높아 주형 제거 과정도 복잡하며, 소재 자체의 가치가 높기 때문에 주조 실패에 따른 손실도 큽니다.
- 분말 베드 융합(Powder Bed Fusion)의 한계
금속 3D 프린팅에 널리 사용되는 분말 베드 융합 방식은 출력이 진행되는 동안 부품 전체가 금속 분말 내부에 놓이는 구조입니다.
따라서 출력이 완료되기 전까지 부품 내부에 접근하기 어렵습니다.
이러한 특성으로 인해 출력 도중 특정 깊이와 방향에 결정 씨앗을 배치한 후, 그 주변으로 금속 구조물을 계속 제작하는 작업이 불가능합니다.
CFPR은 출력 중 공정을 일시 정지할 수 있고, 결정 씨앗을 설계된 위치에 정확하게 배치할 수 있으며, 고가의 백금 소재 손실까지 최소화할 수 있는 제조 기술이 필요했습니다.
3. Meltio Engine과 5축 CNC를 결합한 하이브리드 제조
CFPR은 이러한 기술적 한계를 해결하기 위해 HAAS 5축 CNC 장비에 Meltio Engine 통합 키트를 적용한 하이브리드 제조 시스템을 구축했습니다.
이 시스템은 Meltio의 와이어 레이저 금속 증착 기술과 CNC 절삭가공을 하나의 장비에서 수행할 수 있도록 구성되었습니다.
- 출력 중 결정 씨앗의 정밀 배치
Meltio의 와이어 레이저 증착 방식은 레이저로 형성된 용융풀(Melt Pool)에 백금 와이어를 공급하여 금속 구조물을 한 층씩 제작합니다.
분말 내부에서 출력이 이루어지는 분말 베드 방식과 달리, 출력 중에도 제작 중인 부품에 접근할 수 있다는 특징이 있습니다.
이를 통해 연구팀은 설계상 결정 씨앗을 배치해야 하는 정확한 위치에서 증착 공정을 일시 정지하고, 씨앗을 수동으로 배치하거나 위치를 조정한 후 출력을 재개할 수 있었습니다.
이러한 방식은 기존 주조 및 분말 베드 방식으로 구현하기 어려웠던 정밀한 위치 제어를 가능하게 합니다.
- 증착과 CNC 가공의 통합
Meltio Engine이 통합된 HAAS 5축 CNC 장비는 금속 증착과 절삭가공을 하나의 시스템에서 연속적으로 수행할 수 있습니다.
별도의 장비로 부품을 옮기지 않고도 증착과 정밀 마무리 가공이 가능하기 때문에, 공정 사이에 발생하는 부품 이동과 재고정 작업을 줄일 수 있습니다.
특히 결정 씨앗을 배치한 이후 추가적인 위치 오차가 발생할 가능성을 줄일 수 있다는 장점이 있습니다.
- 백금 회수 시스템 구축
연구원 Michael White는 제조 과정에서 발생하는 백금 부산물을 회수하기 위한 시스템도 개발했습니다.
이 시스템은 CNC 가공을 제어하는 동일한 G-code를 통해 작동하는 국소 진공 흡입 장치를 활용합니다.
가공 중 발생하는 백금 절삭 부산물(Lemel)과 기타 부산물을 외부로 흩어지기 전에 포집하고, 이후 재처리할 수 있도록 설계되었습니다.
백금과 같이 소재 가치가 높은 금속에서는 가공 부산물의 회수가 제조 공정의 경제성을 확보하는 중요한 요소입니다.
백금 소재에 적합한 와이어 레이저 증착
와이어 레이저 증착 기술은 백금의 소재 특성 측면에서도 적합한 공정입니다.
백금의 높은 녹는점은 기존 주조 공정에서는 제약 요인이지만, 별도의 주형이 필요 없는 제조 방식에서는 장점으로 작용할 수 있습니다.
또한 와이어 레이저 증착 과정에서 발생하는 지속적이고 국부적인 열은 금속 구조물 내부에 배치된 결정 씨앗의 성장을 지원하는 데 필요한 열적 조건과도 부합합니다.
5. 연구 단계에서 산업적 활용 가능성으로
네오 젬스톤 프로젝트는 현재 연구 단계에 있으며, 아직 완성된 상용 생산 공정은 아닙니다. CFPR 역시 이러한 점을 명확히 하고 있습니다.
그러나 금속 증착 공정을 일시 정지해 내부에 특정 소재를 정밀하게 배치하고, 동일한 장비에서 부품을 완성하는 기술은 주얼리 분야를 넘어 다양한 산업으로 확장될 가능성을 보여줍니다.
금속 구조물 내부에 센서, 식별 마커 또는 서로 다른 소재를 삽입해야 하는 응용 분야에서도 유사한 제조 기술이 필요하기 때문입니다.
이번 연구는 Meltio 기술의 활용 범위가 확장되고 있다는 점에서도 의미가 있습니다.
UWE Bristol 예술대학(School of Arts)의 상주 예술가 프로그램과 연계된 CFPR은 국방, 항공우주, 중공업 중심의 일반적인 Meltio 적용 사례와 달리 주얼리 및 예술 분야의 관점에서 기술을 연구하고 있습니다.
이러한 연구는 와이어 레이저 금속 증착(W-LMD) 기술이 시제품 제작을 넘어 산업 생산 공정으로 발전하는 과정에서 중요한 검증 사례가 될 수 있습니다.
특히 제조 조건이 까다롭고 소재 가치가 높은 백금을 대상으로 기술을 검증하고 있다는 점에서 의미가 있습니다.
향후 CFPR의 연구가 발전하고 공정의 실효성이 입증된다면, 백금 주얼리 제조를 위해 개발된 하이브리드 증착 및 절삭가공 기술은 보다 다양한 산업 분야에도 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
