3D 프린팅(적층 제조) 기술 중 금속 소재

Question

3D 프린팅(적층 제조) 기술 중 금속 소재를 사용하는 DMLS 및 EBM 방식의 작동 원리와 레이저 열원에 따른 조직 특성은 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

두 방식 모두 금속 분말을 얇게 깔고 단면 모양만 녹여 굳힌 뒤, 바닥판을 한 층 내리고 다시 분말을 까는 과정을 반복해요.

DMLS는 수백 W급 파이버 레이저로 20~60μm 두께 층을 녹이고, 산화를 막으려 아르곤을 채운 챔버에서 작업해요. 용융풀이 작고 주변 금속으로 열이 빠르게 빠져나가 냉각 속도가 초당 10⁵~10⁷K에 달해요. 그래서 조직이 아주 미세한 셀·수지상 구조가 되고 강도가 높지만, 결정립이 적층 방향으로 길게 자라 방향에 따라 물성이 달라져요. Ti-6Al-4V는 단단하지만 연성이 낮은 α' 마르텐사이트가 생기고 잔류응력도 커서, 지지대가 필요하고 출력 후 응력 제거 열처리나 HIP를 거쳐요.

EBM은 수 kW급 전자빔을 진공 속에서 쏘고, 층마다 분말 전체를 700℃ 안팎으로 예열해요. 높은 온도에서 천천히 식으니 잔류응력이 작고 Ti-6Al-4V도 α+β 층상 조직으로 나와 연성이 좋아요. 대신 분말과 층이 두꺼워 표면이 거칠고 정밀도는 낮으며, 전기가 통하는 재료에만 쓸 수 있어요 :)

Answer 2

안녕하세요.

DMLS는 금속 분말층에 레이저를 쏴 선택적으로 녹이고 굳히면서 부품을 한 층씩 만드는 방식을 말해요. 그리고 EBM은 레이저 대신 전자빔을 사용하고 ,진공 환경에서 분말을 녹여 적층하죠.

DMLS는 레이저의 에너지가 좁은 영역에 집중돼 냉각이 빠르기 때문에 미세한 조직과 높은 강도를 얻기 쉬운 반면, EBM은 전자빔과 높은 작업 온도 때문에 냉각이 상대적으로 느려 조직이 비교적 조대해질 수 있어요.

열원의 종류와 냉각 속도가 결정립 크기, 방향성 잔류응력 같은 조직 특성에 영향을 주는 것이죠.

감사합니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

DMLS는 레이저 열원을 사용하여 금속 분말을 부분적으로 빠르게 용융 응고시켜 세밀한 표면과 미세한 재결정 조직을 형성하는 반면에 EBM은 고전압 진공 환경에서 전자빔으로 분말을 완전 용융시켜 잔류 응력이 적고 고온 특성이 뛰어난 조직을 얻습니다 DMLS의 가공 조건은 빠른 냉각 속도로 인해 미세하고 조밀한 결정립 구조를 만들어 정밀 부품에 유리하며 EBM은 고온 분말 침대 덕분에 수축 변형이 적고 균일한 거시 조직을 형성하여 고부하 환경에 강합니다 두 방식은 모두 레이저 및 전자빔의 에너지 밀도와 조사 속도에 따라 치밀도와 기계적 물성이 크게 결정됩니다 결국 부품에 요구되는 정밀도와 열적 기계적 특성에 맞춰 적절한 에너지원 방식을 선택하여 최적의 부품을 제조할 수 있습니다

Answer 4

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

DMLS는 금속 분말을 얇게 펼친 뒤 레이저로 필요한 부분만 선택적으로 녹여 한 층씩 쌓아 부품을 만드는 방식을 말합니다. EBM은 레이저 대신 전자빔을 사용하며 진공 상태에서는 금속 분말을 가열하고 용융해 적층합니다.

DMLS는 레이저가 작은 영역을 빠르게 녹이고 식히기 때문에 냉각속도가 높아 비교적 미세한 결정립과 조직이 만들어지는 경우가 많습니다. 다만 급격한 가열과 냉각 때문에 잔류 응력이나 방향성 있는 기둥형 결정조직들이 생겨 기계적 성질이 방향에 따라 달라질 수 있다는 점이 있습니다.

EBM은 분말층 전체를 높은 온도로 예열하면서 적층하기 때문에 냉각속도가 상대적으로 느려 조직이 조금 더 거칠어질 수 있다는 특징이 있지만 잔류응력과 변형은 줄어드는 편입니다. 결국 DMLS는 높은 정밀도와 미세조직에 EBM은 진공 환경과 높은 예열온도를 이용한 응력 감소 및 티타늄 같은 반응성 금속 가공에 있어서 장점이 있다고 할 수 있습니다.