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은경 장
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1 [ 특집 : 3D 프린팅과소재 ] 3D 프린팅기술과격자구조체 김상우, 유지훈 재료연구소 최근일반소비자층을겨냥한데스크탑형 3D 프린터의급속한판매성장이이루어지고있는가운데, 기계, 항공, 자동차, 가전, 의료등금속제품제조산업의새로운패러다임으로산업용금속 3D 프린팅에대한관심이증가하고있다. 유럽과미국을중심으로한금속 3D 프린팅관련산업체및연구기관에서는설계자유도, 기능성부여, 맞춤형제작, 리드타임감소등의장점을극대화함과동시에모듈화를통한제조공정시간및비용단축, 품질향상을위한적층가공방법의개발, 맞춤형저비용소재개발등현재기술의단점을보완하기위한다양한측면에서의연구개발이활발하게진행되고있다. 본고에서는 3D 프린팅기술의장점을극대화할수있는응용분야로기대되고있는 3차원격자구조체의기술개발동향을살펴보고자한다. 격자구조체는경량성, 에너지흡수능, 열관리능을갖는다기능성소재로미래잠재적인수요가기대되고있으나, 형상의복잡성으로인해설계및제작에많은제약이있었다. 3D 프린팅기술과격자구조체기술은상호단점을보완하고, 장점을극대화할수있는최적의제조공정과제품으로금속용산업부품의새로운패러다임을이끌어나갈수있을것으로판단된다. 1. 서론 자연에는동물의뼈, 나무줄기및잎, 산호, 벌집등다양한형태의다공성구조체가존재하며, 인류는코르크마개를비롯한목제품과같이자연그대로의다공성구조체를가공하여다양한목적에맞게사용하거나, 자연의다공구조를모방하여인공적인다공성구조체를제작하여활용해왔다.( 그림1) 주변에서가장손쉽게찾아볼수있는다공성구조체로는폴리머기반의폼 (foam) 과금속기반의허니컴 (honeycomb) 및트러스 (truss) 구조이다. 폼은액화된재료의내부에인위적인기포를생성시켜다공구조를형성함으로써각종포장용기를비롯한생활및산업제품으로활용되고있으며, 금속허니컴의경우, 금속판재를이용하여접착-신장성형하거나, 굽힘성형-접합을통해제작하여항공기, 건축용자재등다양한경량구조및충격흡수재료로활용하고있다. 인공적인 3차원다공성구조를세분화하여도식화하면내부구조가규칙적인형상과불규칙적인형상으로나눌수있으며, 각각의구조는개방형구조와폐쇄형구조로나뉜다.( 그림2) 대표적인불규칙적인형상은금속및비금속폼이나스폰지형태를말하며, 규칙적인형상은트러스, 직조, 허니컴등과같이특정형상의단위셀이규칙적, 반복적으로배열되어있는격자구조를말한다. 특히, 격자구조는불규칙적다공구조나체적소재에비해비강도및비강성이우수하여, 항공기, 자동차, 선박등수송기기류의초경량구조재료로서의적용뿐만아니라외부의충격하중을내부구조가흡수하는충격에너지흡수능이우수하여방탄 방폭재료로서의잠재적인가능성을가지고있다. 또한, 개방형태의격자구조는표면적이넓고, 내부유동이균일하여전열특성이 24 기계와재료

(g) iris leaf (h) stalk of a plant [1] 우수함에따라열교환기, 히트싱크등다양한열에너지관리장치에활용이가능한이점이있다.

2 3D 프린팅기술과격자구조체 그림 1. 자연의다공구조소재 (a) cork (b) balsa (C) sponge (d)cancellous bone (e) coral (f) cuttlefish (g) iris leaf (h) stalk of a plant [1] 우수함에따라열교환기, 히트싱크등다양한열에너지관리장치에활용이가능한이점이있다. 상기와같은격자구조체의경량성, 에너지흡수능, 전열특성은복합적으로적용가능하여경량구조체이면서에너지흡수체, 구조체이면서열관리장치등의다기능성을보일수있어향후, 다양한미래산업용소재부품으로의잠재성을지니고있다.( 그림3) 그림 2. 다공성구조의분류 25 기계와재료 / 28 권제 1 호

[ 특집 : 3D 프린팅과소재 ] 그림 3. 격자구조체의응용 2. 복합공정에의한격자구조체제조기술 상기에서언급한격자구조체의다양한이점에도불구하고, 미국, 영국등일부기술선진국에서조차방위산업분야를제외한, 민간분야에서산업화가이루어지지않고있는가장큰원인으로는복잡한내부형상으로인한제조공정비용의증가및현제조공정의한계로인한설계형상의제약이다.

3 [ 특집 : 3D 프린팅과소재 ] 그림 3. 격자구조체의응용 2. 복합공정에의한격자구조체제조기술 상기에서언급한격자구조체의다양한이점에도불구하고, 미국, 영국등일부기술선진국에서조차방위산업분야를제외한, 민간분야에서산업화가이루어지지않고있는가장큰원인으로는복잡한내부형상으로인한제조공정비용의증가및현제조공정의한계로인한설계형상의제약이다. 기존의규칙적다공성구조체의제작방법으로는크게인베스트먼트주조, 직조및접합, 프레스성형및접합공정으로나눌수있다.( 그림4) 주조공정은별다른접합공정없이일체형으로제작가능한이점이있으나, 공정비용이비싸고, 주조결함으로인해최소제작가능한단위셀크기에한계가있어일반적으로상대밀도 5% 이내의구조물제작이불가능한것으로알려져있다. 직조공정은선재를이용한방법으로선재에비틀림변형을부여하고전용직조장비를통해 3차원으로배열한뒤브레이징공정을통해접합함으로써카고메형상의 3차원다공구조를제작하는방법으로널리알려져있다. 프레스성형공정은주로트러스심재의샌드위치판재를제작하기위한방법으로판재를이용하여임의형상으로천공하여 2차원예비성형체를제작하고, 굽힘성형혹은신장성형을통해 3차원구조를형상하고, 각각제작된단일레이어를겹겹이적층하여, 용접, 브레이징, 접착제등다양한접합방법을통해 3차원격자구조체를제작하는방법이다. 재료연구소에서는각각의단위셀의높이에단차를부여할수있는신장성형방법을개발하여, 특정형상이부여된샌드위치판구조물을제작할수있는방법을제안하였으며, 이를활용하여격자구조심재를갖는블레이드제작기술을개발하였다. 향후, 수직형소형풍력발전기용블레이드에적용하기위한기술개발이진행중이다. 그림 5 및그림 6은재료연구소에서제작된 3차원트러스격자구조체및 NACA0015 익형단면으로제작된격자구조블레이드심재를보여주고있다. 26 기계와재료

4 3D 프린팅기술과격자구조체 <Investment casting> <Press bending> <Wire weaving> 그림 4. 격자구조체제조방법 [2-3] 그림 5. 신장성형 - 브레이징 에의한단층 / 다층격자구조체 ( 재료연구소 ) 그림 6. 신장성형에의한격자구조 NACA0015 익형 ( 재료연구소 ) 3. 3D 프린팅에의한격자구조체기술 주조, 직조, 소성가공, 절삭가공, 접합등기존제조방법에의한 3차원다공구조제조방법은설계자유도에많은제약이따른다. 이에반해최근 3차제조혁명으로불리는 3D프린팅기술은형상자유도가우수하여설계자의다양한요구를수용할수있는제조방법으로, 의료, 항공, 전자산업등전방산업에적용하기위한노력이진행중에있다. 27 기계와재료 / 28 권제 1 호

[ 특집 : 3D 프린팅과소재 ] 특히, SLM(Selective Laser Melting), EBM(Electron Beam Melting) 등금속분말을사용하는 3D프린팅기술은전세계적으로정부차원에서의관련산업의활성화를위해연구개발이활발히진행되고있으나, 기존제품의생산공정을대체하기에는비용, 효율,

원격자구조체의 3D프린팅공정적용에대한기술동향을살펴보고자한다. 3.1 트러스구조체 (Truss structures) 격자구조를구성하는최소형상단위인단위셀은주로 3 차원배열이용이한대칭형상의정다면체구조나트러스 구조를기본으로하여요구특성에맞게구조를재설계하여사용된다.

5 [ 특집 : 3D 프린팅과소재 ] 특히, SLM(Selective Laser Melting), EBM(Electron Beam Melting) 등금속분말을사용하는 3D프린팅기술은전세계적으로정부차원에서의관련산업의활성화를위해연구개발이활발히진행되고있으나, 기존제품의생산공정을대체하기에는비용, 효율, 품질경쟁력등해결해야될당면과제가남아있다. 본고에서는다기능성의이점에도불구하고, 복잡한형상또는경제성문제로인해제품화가이루어지지못했던 3차원격자구조체의 3D프린팅공정적용에대한기술동향을살펴보고자한다. 3.1 트러스구조체 (Truss structures) 격자구조를구성하는최소형상단위인단위셀은주로 3 차원배열이용이한대칭형상의정다면체구조나트러스 구조를기본으로하여요구특성에맞게구조를재설계하여사용된다.( 그림 7) 수 mm 이내의단위셀형상을정밀하게 구현하기위해서는금속분말을한층씩도포하고레이져혹은전자빔등의열원을이용하여선택적으로가열하는 PBF(Power Bed Fusion) 방식의 SLS, SLM, EBM 장비가주로사용된다.( 그림 8) 금속다공성구조체의경우, 단위셀 의형상이복잡하고미세하므로분말소재의종류및크기에따른열원의출력, 레이어두께, 스캐닝속도및방향등 의공정변수뿐만아니라최소제작가능한요소의두께, 단면형상, 오버행, 적층각도등형상과관련된설계인자에 대한복합적인검토가요구된다. 그림 7. 격자구조단위셀의주요형상 [4] 그림 8. 금속 3D 프린터로제작된격자구조체 [5-12] 28 기계와재료

3D 프린팅기술과격자구조체 격자구조체의구조적특성을평가하기위해서는단위셀의개수에따른특성이사라지는최소한의단위셀개수이상으로구성된대표체적요소 (Representative volume element) 시험편을제작하여방향별압축 / 인장, 전단, 인장, 굽힙, 자유낙하 / 고속충격등의평가를수행한다.

6 3D 프린팅기술과격자구조체 격자구조체의구조적특성을평가하기위해서는단위셀의개수에따른특성이사라지는최소한의단위셀개수이상으로구성된대표체적요소 (Representative volume element) 시험편을제작하여방향별압축 / 인장, 전단, 인장, 굽힙, 자유낙하 / 고속충격등의평가를수행한다. 대표체적요소의다양한하중조건하에서의기계적특성은격자구조체의특성을대표하는등가물성으로활용되어전체구조물의설계및해석에활용될수있다. 그림 9. SLM 공정으로제작된피라미드트러스구조체및압축특성평가 ( 재료연구소 ) 3.2 오그제틱구조체 (Auxetic structures) 변형전후체적이일정한일반적인재료의경우, 양의프와송비 (Poisson s ratio) 를갖는다. 즉, 그림 10 에서와같이 수직방향으로인장될경우, 체적이일정하므로수평방향으로는수축하게된다. 그러나, 내부구조를적절히설계한 격자구조의경우인장시팽창하고, 압축시수축함으로써음의프와송비를갖는데이러한특성을갖는구조를오그 제틱구조체라고한다.( 그림 11) 오그제틱특성은다양한응용분야에서장점으로활용될수있는데, 압축부위의밀 도증가로인해국부적인강화효과를나타낼수있음에따라방탄 방폭구조물, 자동차범퍼, 헬멧등충격에너지를 효과적으로흡수할수있는구조재로활용가능하다. 또한, 인장과압축변형에의해내 외부공간이변하는특징을 응용하여세척이용이한필터, 패스너, 흡음재등스마트기능소재로활용가능하며, 3 차원곡면형상으로의변형이 용이함에따라곡면동체, 윙패널, 노우즈 - 콘등항공우주부품으로활용가능하다. 다양한장점을가진오그제틱구 조체는내부구조가매우복잡하여폴리머소재에국한하여적용되어왔으나, 최근금속 3D 프린팅의기술적진보와 함께금속을이용한오그제틱구조체의적용을위한많은연구가시도되고있다. 현재단위셀형상, 조형조건, 방향 및소재에따른기계적특성분석을위한기초연구가진행되고있으며향후항공, 바이오, 자동차등다양한산업분 야에서오그제틱구조를활용한격자구조체제조를위한 3D 프린팅기술이가속화될것으로판단된다. 29 기계와재료 / 28 권제 1 호

7 [ 특집 : 3D 프린팅과소재 ] 그림 10. 오그제틱 (Auxetic) 특성 그림 11. 오그제틱특성의단위셀형상및유한요소해석예 그림 12. SLM 으로제작된오그제틱구조체및압축특성평가 ( 재료연구소 ) 30 기계와재료

3D 프린팅기술과격자구조체 3.3 3D 프린팅격자구조체의응용 3D 프린팅에의해자유로운형상설계가가능해짐에따라산업용금속제품의설계개념이변화될것으로예측된 다.

방향을설계하여야한다. 그림 13. 위상최적설계에의한 3D 프린팅 Airbus 사의항공기부품 [12] 그림 14.

(CoCrMo), 타이타늄합금 (Ti6Al4V) 소재가주로사용되고있으나, 솔리드형태의임플란트는탄성계수가 210GPa, 110GPa로인체의뼈 ( 피질골

8 3D 프린팅기술과격자구조체 3.3 3D 프린팅격자구조체의응용 3D 프린팅에의해자유로운형상설계가가능해짐에따라산업용금속제품의설계개념이변화될것으로예측된 다. Airbus, Boeing 등항공기제작사에서는위상최적기법을적용한최적설계기반의 3D 프린팅부품을적용한사례 를발표하고있으며, 향후, 자동차를비롯한일반제조업분야에서도확대되어적용될것으로전망된다. 3D 프린팅 에의한격자구조체는기계적특성뿐만아니라열적, 생물학적맞춤형설계가가능함에따라솔리드형상기반의기 존부품설계의개념을탈피하고격자구조기반의신개념설계기법에대한개발이요구된다. 격자구조체는항공기 날개와같은유연구조물및자동차섀시등의내부보강재로적용가능하며, 응력분포, 강도, 제작용이성등을복합적 으로고려하여단위셀의소재, 형상, 크기, 방향을설계하여야한다. 그림 13. 위상최적설계에의한 3D 프린팅 Airbus 사의항공기부품 [12] 그림 14. 3D 프린팅격자구조블레이드 ( 재료연구소 ) 및하중분포를고려한격자구조빔 [12] 의료용임플란트의경우, 인체적합성, 내부식성이우수한코발트합금 (CoCrMo), 타이타늄합금 (Ti6Al4V) 소재가주로사용되고있으나, 솔리드형태의임플란트는탄성계수가 210GPa, 110GPa로인체의뼈 ( 피질골 3-30GPa, 해면골 MPa) 와의강성차이가매우커결합부위는부하의전달을차단하게됨으로써파손등의문제를야기할수있다. 따라서, 응력차단을제거하기위한가장효율적인방법으로금속임플란트내부에기공을형성시켜인체뼈와의상대적인강성차이를최소화하고있는데, 격자구조로구성된임플란트가유용하게사용되고있다. 또한, 임플란트표면을격자구조로형성시킴으로써인체와의결합을견고히하기위한용도로사용하고있다. 그림 15. 의료용임플란트의격자구조체적용예 [12] 31 기계와재료 / 28 권제 1 호

9 [ 특집 : 3D 프린팅과소재 ] 4. 맺음말 3차원격자구조는모재및내부형상의설계에따라사용목적에최적화된구조및기능소재로활용가능한이점이있어, 향후다양한산업분야에잠재적인적용가능성을가지고있다. 이러한이점에도불구하고과거에는복잡한내부형상의구현이불가능하여금속재료의활용이어려웠으나, 최근형상자유도가우수한금속 3D 프린팅기술의발전과함께다양한형상의 3차원격자구조를금속소재로제작가능하게되었다. 3D 프린팅격자구조기술은자동차, 항공, 조선, 전자, 건축, 에너지플랜트등금속부품제조산업분야에서부품설계와제조방법의패러다임을전환할수있는계기가될것으로전망된다. 참고문헌 [1] L.J. Gibson, M.F. Ashby, Cellular Solids: Structure and Properties, Cambridge University Press, 2nd ed., Cambridge, [2] H.N.G. Wadley, Multifunctional periodic cellular metals, Phil Trans R Soc A364 (2006) [3] K.J. Kang, Wire-woven cellular metals: The present and future, Prog Mater Sci 69 (2015) [4] [5] J. Parthasarathy et al., Mechanical evaluation of porous titanium (Ti6Al4V) structures with electron beam melting (EBM), J Mech Behav Biomed 3 (2010) [6] T. Tancogne-Dejean et al., Additively-manufactured metallic micro-lattice materials for high specific energy absorption under static and dynamic loading, Acta Mater 116 (2016) [7] S. McKwon et al., The quasi-static and blast loading response of lattice structures, Int J Impact Eng, 35 (2008) [8] L. Yang et al., Evaluations of cellular lattice structures manufactured using selective laser melting, Int J Mach Tool Manu, 62 (2012) [9] L. Yang et al. Mechanical properties of 3D re-entrant honeycomb auxetic structures realized via additive manufacturing, Int J Solids Struct (2015) [10] L. Xiao, Mechanical behavior of open-cell rhombic dodecahedron Ti 6Al 4V lattice structure, Mat Sci Eng A 640 (2015) [11] R. Wauthle et al., Effects of build orientation and heat treatment on the microstructure andmechanical properties of selective laser melted Ti6Al4V lattice structures, Additive Manuf 5 (2015) [12] M.K. Thompson et al., Design for Additive Manufacturing: Trends, opportunities, considerations, and constraints, CIRP Ann-Manuf Techn (2016) in press. 32 기계와재료

3D 프린팅기술과격자구조체 김상우 재료연구소실용화연구단소재성형연구실선임연구원 관심분야 : 초경량격자구조체설계 / 해석 / 평가기술, 3D 프린팅을이용한격자구조체제조기술, 초음파진동응용소성가공공정설계및해석 E-mail : kimsw@kims.

10 3D 프린팅기술과격자구조체 김상우 재료연구소실용화연구단소재성형연구실선임연구원 관심분야 : 초경량격자구조체설계 / 해석 / 평가기술, 3D 프린팅을이용한격자구조체제조기술, 초음파진동응용소성가공공정설계및해석 kimsw@kims.re.kr 유지훈 재료연구소분말세라믹연구본부분말기술연구실책임연구원 관심분야 : 극미세분말제조및응용, 3D 프린팅용금속분말의제조및조형공정, 자성분말소재의제조및응용 jhyu01@kims.re.kr 33 기계와재료 / 28 권제 1 호

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