안녕하세요, AM 솔루션 전문 컨설팅 회사 HDC입니다.
오늘은 스페인 Meltio사의 WLMD 공정이 파우더 기반 적층제조(AM) 기술과 비교했을 때 어떤 장점을 가지는지 살펴보려고 합니다.
파우더 기반 기술은 높은 해상도와 다양한 소재 활용이라는 강점을 가지고 있지만, 그에 따른 문제 점도 있습니다.
특히 파우더 기반 AM 기술을 사용할 때 마주할 수 있는 한계와 잠재적인 단점들을 이야기해보려 합니다.
이런 부분들을 제대로 이해하는 건 파우더 AM 공정의 진정한 가능성을 평가하고, 실제 현장에서 성능을 최적화하는 데 꼭 필요한 과정이니까요.
Meltio 공정과 파우더 기반 기술을 비교하면서 각각의 장단점을 명확히 파악해 보고,
제조 현장에서 더 나은 선택을 할 수 있도록 함께 알아보겠습니다!
목차
- 파우더 기반 AM 기술: PBF와 파우더 DED
- 와이어 + 레이저: 새로운 DED 조합
- Meltio의 와이어 기반 3D 프린팅(WLMD) 공정의 이점
- Meltio WLMD의 추가 장점
- 결론
1. 파우더 기반 AM 기술: PBF와 파우더 DED
파우더 기반 적층제조(AM) 기술 중에서도 레이저를 활용하는 공정으로는 파우더 베드 퓨전(Powder Bed Fusion, PBF)과
파우더 DED(Directed Energy Deposition)가 대표적입니다.
파우더 베드 퓨전(PBF)
PBF는 적층제조 공정 중에서도 가장 널리 사용되는 기술 중 하나로, 주로 엔지니어링 및 생체의료 분야에서 3D 객체를 제작하는 데 활용됩니다.
이 공정의 가장 큰 장점은 단일 소재를 활용하여 층층이 적층할 수 있다는 것으로, 복잡한 형상과 맞춤형 디자인을 제작할 수 있어 특정 산업의 요구에 최적화된 부품 제작이 가능합니다.
PBF는 고해상도와 정밀도를 바탕으로 복잡한 구조를 구현할 수 있기 때문에, 정교한 부품이 필요한 항공우주, 의료 기기, 자동차 부품 등에 많이 사용됩니다. 하지만 파우더를 사용하는 특성상 분진 관리, 재료 낭비, 유지 보수 비용 등 현실적인 제약 사항도 존재합니다.
파우더 DED(Directed Energy Deposition)
파우더 DED(Direct Energy Deposition) 기술은 가장 초기부터 활용되어 온 적층제조(AM) 기술 중 하나로,
그 활용도가 매우 높은 것으로 잘 알려져 있습니다. 이 공정은 원료 소재를 적층 영역으로 직접 공급하여, 레이저로 즉시 용융하는 방식을 사용합니다. 적층 헤드가 서서히 이동하면서 층을 하나씩 형성하며, 용융된 소재가 이전에 적층된 층과 자연스럽게 결합하여 견고한 구조를 만들어내는데요,
고출력 레이저의 초점 지점에 노즐을 통해 파우더를 지속적으로 분사합니다. 레이저의 열이 금속 파우더를 녹여 용융 풀(molten pool)을 형성하고, 이 용융 소재는 모션 제어 시스템에 의해 이동하면서 자유 공간에서 층층이 적층됩니다.
이 과정은 각 층이 더해지면서 부품의 형태가 점진적으로 드러나는 모습을 실시간으로 확인할 수 있어 시각적인 모니터링이 가능하다는 장점이 있습니다. 하지만 파우더 기반 DED 공정에도 몇 가지 한계가 존재합니다.
우선, 파우더가 지속적으로 분사되다 보니 비산 문제와 재료 낭비가 발생할 수 있으며, 균일한 품질을 유지하는 데 어려움이 있습니다. 또한, 표면 거칠기 문제로 인해 후처리가 필수적인 경우가 많아, 공정 효율성이 떨어질 수 있습니다.
이러한 파우더 기반 DED 기술의 한계를 극복하기 위해 등장한 것이 바로 Meltio의 와이어 기반 3D 프린팅 공정입니다. 이제 이 와이어 기반 기술이 어떻게 파우더 DED 기술과 차별화되는지 알아보겠습니다.
2. 와이어 + 레이저: 새로운 DED 조합
직접 에너지 증착(Direct Energy Deposition, DED)은 집중된 열원을 이용해 원료 소재를 용융하고 적층하는 적층제조(AM) 기술의 한 유형입니다.
금속 응용에서의 DED
DED 기술은 금속 부품 제작에 있어 대형 금속 부품을 빠른 적층 속도로 생산할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 이는 파우더 베드 퓨전(Powder Bed Fusion, PBF)과 같은 다른 AM 방식에 비해 월등히 높은 적층 속도를 자랑합니다. 파우더 기반 DED 기술 중 대표적인 방식으로는 레이저 파우더 직접 에너지 증착(Laser Powder-Directed Energy Deposition, LP-DED)이 있으며, 수년간 클래딩(cladding) 공정에서 널리 활용되어 왔습니다.
와이어 + 레이저 조합: 새로운 적층 방식
최근 적층제조 기술의 발전과 함께, 와이어를 원료로 사용하고 레이저를 에너지원으로 활용하는 DED 조합이 등장했습니다.
이는 기존의 파우더 기반 DED와 차별화되는 접근 방식으로, 적층 속도와 소재 활용 면에서 여러 가지 이점을 제공합니다.
DED 기술 자체는 이미 수년간 다양한 산업에서 사용되어 왔지만, Meltio가 도입한 와이어 피드스톡과 레이저 에너지원의 조합은 비교적 최근에 등장한 기술로, 그 혁신성과 실용성 덕분에 다양한 산업에서 주목받고 있습니다.
이제 Meltio의 와이어 기반 3D 프린팅 공정의 구체적인 장점에 대해 알아보겠습니다.
3. Meltio의 와이어 기반 3D 프린팅 공정의 이점
Meltio의 와이어 기반 3D 프린팅 공정은 기존 파우더 기반 DED와 비교하여 여러 가지 독창적이고 주목할 만한 장점을 가지고 있습니다. 다음은 이러한 조합이 혁신적이라고 평가되는 주요 이유들입니다.
① 연속 적층 공정(Continuous Deposition)
와이어 기반 DED 공정에서는 와이어 피드스톡이 지속적으로 공급되어 매끄럽고 끊김 없는 적층 빌드를 구현할 수 있습니다. 이로 인해 생산 효율성이 증가하고, 제작 시간도 크게 단축됩니다.
또한, 공정 중 잦은 중단이나 수작업 처리가 필요하지 않으므로 공정의 일관성과 자동화 수준이 크게 향상됩니다.
② 대형 부품 제작에 적합(Large-Scale Applications)
연속 공급과 지지 구조가 덜 필요한 특성 덕분에 대형 부품 제작에 최적화되어 있습니다. 이러한 공정 특성은 대형 산업용 부품이나 구조물 제작에서 시간과 비용 절감 효과를 가져옵니다.
특히 대형 금속 구조물 제작에서 기존 파우더 기반 기술 대비 생산 속도가 빠르고 효율적입니다.
③ 소재 낭비 감소(Material Waste Reduction)
와이어 기반 적층제조 공정은 파우더를 사용하는 방법에 비해 소재 낭비가 적습니다. 필요한 만큼의 와이어만 사용하므로 여분의 소재가 거의 발생하지 않아 비용 절감과 지속 가능성 측면에서 유리합니다.
이러한 특성 덕분에 친환경 제조 공정으로도 평가받고 있으며, 소재 활용 효율이 높은 것이 큰 장점입니다.
④ 비용 효율성(Cost-Effectiveness)
와이어 피드스톡은 파우더 소재보다 비용 효율성이 높습니다.
- 와이어 소재는 용접 산업에서 이미 널리 사용되는 일반적인 자재로서, 구하기 쉽고 가격도 저렴합니다.
- 파운드당 약 $3.00부터 시작하는 와이어 가격은 일반적으로 고가의 파우더 소재보다 최대 10배 저렴하며, 특정 합금에서는 그 차이가 더욱 두드러집니다.
- 생산 및 취급이 간단하고 경제적이기 때문에, 전체 공정에서 소재 비용 절감 효과를 크게 누릴 수 있습니다.
⑤ 향상된 생산성(Enhanced Productivity)
와이어 기반 공정은 특히 연속 적층 시스템에서 더 효율적이고 생산성이 높습니다. 와이어 피드스톡이 지속적으로 공급되므로 중단 없이 생산이 가능하여 가동 중단 시간을 최소화하고 출력 최대화를 실현합니다.
⑥ 보호 장비 요구 감소(Reduced Need for Protective Equipment)
파우더 기반 적층제조 공정과 달리, 와이어 기반 방식은 공중 미립자 위험이 거의 없으므로 보호 장비가 덜 필요합니다. 이로 인해 작업자의 안전과 편안함이 크게 향상되며, 안전 관리 비용도 절감할 수 있습니다.
⑦ 시설 요구사항 최소화(Facility Requirements)
와이어 기반 적층제조 공정은 공간 제약이 있는 시설이나 특정 인프라 요구 사항이 있는 작업장에서도 효과적입니다. 와이어 피드스톡의 간단한 취급 덕분에 별도의 시설 개조나 복잡한 장비 구성이 필요하지 않아 비용 절감 효과를 제공합니다.
⑧ 편리한 보관(Convenient Storage)
와이어 피드스톡은 부피가 크고 다루기 어려운 파우더 소재와 달리 보관이 간편합니다. 와이어는 덜 공간을 차지하며 정리와 관리가 용이하여 저장 공간 활용도를 극대화할 수 있습니다.
⑨ 재고 관리 용이성(Inventory Management)
와이어 피드스톡은 구조화된 형태로 보관되기 때문에 재고 관리와 수량 파악이 용이합니다. 남은 와이어 양을 쉽게 추적할 수 있어 효율적인 소재 보충 계획이 가능하며, 일부 파우더 소재와 달리 유통기한이 길어 장기간 보관에도 문제가 없습니다. 기반 공정은
⑩ 오염 위험 감소(Reduced Contamination Risk)
와이어는 고체 상태로 보관되며 분산 가능성이 적어 서로 다른 소재 간의 교차 오염 위험이 최소화됩니다. 반면 파우더 기반 공정에서는 혼합 또는 유출로 인한 오염 가능성이 높아 엄격한 청소 절차가 필수적입니다. 오염이 발생하면 부품의 미세 구조와 품질에 심각한 영향을 줄 수 있어 이 점은 중요한 이점입니다.
⑪ 취급 및 운송 용이성(Improved Handling and Transportation)
와이어 피드스톡은 고체 형태로 견고하게 감겨 있는 상태로 제공되어 취급과 운송이 용이합니다. 일반적으로 스풀 또는 릴에 감겨 있어 3D 프린팅 시스템에 쉽게 적재할 수 있습니다.
⑫ 간편한 기계 청소(Simplified Machine Clean-Up)
와이어 기반 적층제조 공정은 파우더 기반 공정에 비해 잔여 물질이 적어 기계 청소가 간단합니다. 잔여물이나 먼지가 거의 없어 빈번한 청소의 부담을 줄이고 작업 공간을 깔끔하게 유지할 수 있어 효율적인 워크플로우를 지원합니다.
⑬ 소재 전환 용이성(Material Change)
와이어 기반 공정은 소재 전환이 비교적 간단하여 다양한 소재를 손쉽게 교체할 수 있습니다. 이는 다운타임을 최소화하며 이중 소재 부품이나 다양한 구성 요소를 제작할 때 유리합니다. 파우더 기반 공정과 달리 복잡한 청소나 세척 과정 없이도 신속한 소재 교체가 가능하다는 것이 큰 강점입니다.
⑭ 제로 소재 낭비(Zero Material Waste)
Meltio의 듀얼 와이어 금속 적층 공정은 와이어가 용융 풀(melt pool)에 동축으로 진입하도록 설계되어 있습니다.
이를 통해 소재를 100% 효율적으로 사용할 수 있습니다.
반면, 파우더 기반 공정은 소재 낭비율이 30%에서 50%까지 발생하는 경우가 많아 경제성과 효율성 측면에서 큰 차이가 있습니다.
Pipe Manifold by DMZ Engineering
⑮ 향상된 미세 구조(Enhanced Microstructure)
Meltio의 레이저 공정은 매우 밀집된 열영향부(HAZ)를 생성하여, 용융 풀 아래층이나 주변 영역으로의 열 전달을 최소화합니다.
이로 인해 프린트 된 부품의 미세 구조가 더욱 견고하고 균일하여, 강도와 내구성 면에서 우수한 품질을 확보할 수 있습니다.
⑯ 정밀 제어 공정(Controlled Process)
Meltio의 LMD 공정은 와이어가 용융 풀에 동축으로 진입하도록 정밀하게 제어합니다.
와이어는 기판과 접촉하는 지점에서 용융되며 소재 흐름과는 무관하게 용융되기 때문에 안정적이고 제어된 공정이 가능합니다.
또한, 고급 피드백 시스템을 구현하여 일관된 공정 품질을 유지할 수 있습니다.
⑰ Meltio의 적층 헤드(Deposition Head)
Meltio의 적층 헤드는 동축 와이어 공급 설계를 특징으로 하여, 와이어가 용융 풀의 중앙으로 들어오도록 구성되어 있습니다.
이 구조는 모든 방향에서 일관된 프린팅 품질을 보장하며, 레이저의 낮은 광학 밀도 덕분에 긴 서비스 수명을 유지할 수 있습니다.
덕분에 고품질 프린팅과 더불어 장비 수명 연장이라는 추가적인 이점이 있습니다.
⑱ 듀얼 와이어 기능과 다중 소재 프린팅(Dual Wire Capability and Multimaterial Printing)
Meltio의 프린트헤드는 두 개의 독립된 와이어 공급 장치를 갖추고 있어 하나의 프린트에서 두 가지 다른 소재를 사용할 수 있습니다.
이로 인해 하드페이싱(Hard-Facing)이나 내식성 코팅(Anti-Corrosion Coating)과 같은 응용 분야에 적합하며,
이중 소재 3D 프린팅을 신속하고 간편하게 수행할 수 있어 크로스 컨탬네이션(교차 오염) 위험이 없는 지속 가능한 솔루션을 제공합니다.
Dual material Combustion Chamber: In625 + CuCrZr
4. 결론
결론적으로, PBF, 파우더 DED, 그리고 Meltio는 각각 다른 제조 요구 사항에 맞춘 독특한 이점을 제공합니다.
PBF(Powder Bed Fusion)는 고정밀도와 세밀한 부품 제작에 이상적이며, 항공우주 및 의료와 같은 산업에 적합합니다. 그러나 처리 속도가 느리고 비용이 높아 대형 부품 제작에는 한계가 있습니다.
반면, 파우더 DED(Powder Directed Energy Deposition)는 더 빠른 프린팅 속도와 다양한 소재 활용성을 제공하여 대형 부품 제작 및 수리에 적합하지만, PBF와 비교했을 때 해상도와 표면 품질이 떨어집니다.
Meltio 기술은 하나의 프린트에서 여러 소재를 사용할 수 있는 능력으로 하이브리드 제조에서 큰 유연성을 제공합니다. 프로젝트의 특정 요구 사항, 예를 들어 소재 요구, 부품 크기, 해상도 및 비용 등을 고려하여 적절한 기술을 선택하는 것이 중요하며, 이를 통해 적층 제조에서 최적의 결과를 얻을 수 있습니다.