한국원자력연구원이 세계 최초로 PBF 방식 1m 부품 제작용 3D 프린터를 개발했다. (한국원자력연구원 제공)
한국원자력연구원이 세계 최초로 PBF 방식 1m 부품 제작용 3D 프린터를 개발했다. (한국원자력연구원 제공)

[더리포트=이진수기자] 한국원자력연구원은 세계 최초로 ‘1m 크기 부품 제작용 PBF 3D 프린터’를 개발했다. 

이는 '최대 0.5m'의 한계를 뛰어넘은 성과여서 주목받고 있다.

28일 한국원자력연구원에 따르면 오늘날 가장 보편적인 금속 3D 프린팅 기술은 PBF(Powder Bed Fusion, 분말 소결 방식)이다. 얇게 펼친 분말에 레이저나 전자빔을 정밀하게 조사해 녹이는 방식이다. 녹은 분말은 고체화돼 겹겹이 쌓을 수 있다. 복잡한 형상의 정밀부품 생산에 유리한 원리다. 

그런데, PBF 장비로 제조할 수 있는 부품 크기는 최대 0.5m에 불과해 산업현장에서 활용하는 데에 한계가 있었다. 

그러나 이번에 원자력연구원 김현길 박사팀이 가로 1m, 세로 0.5m까지 제조할 수 있는 프린터가 제작돼 상용화 장벽을 허물었다.

연구진은 PBF 3D 프린팅의 크기 제약을 없애고자 ‘병렬확장 기술’을 고안했다. 프린터의 핵심부품인 레이저 소스와 스캐너 두 세트를 나란히 연결한 것이다. 

한곳에 고정된 레이저 소스는 거울처럼 반사하는 특성의 스캐너를 거쳐, 가로 0.5m, 세로 0.5m 면적에 빛을 고루 전달한다. 이번 프린터에는 레이저 소스와 스캐너가 각각 2개씩 설치돼 가용 범위를 가로 기준 1m로 늘렸다. 

PBF의 장점인 높은 정밀도를 유지하려면 두 레이저가 중첩되는 부분에 대한 정밀 제어가 관건이다. 연구진은 실험과 시뮬레이션 프로그램을 병행해 레이저 속도, 패턴 등에 대한 변수값을 구축했다. 이로써 열과 응력에 따른 변형을 사전에 예측해, 연결 부위를 결함 없이 매끄럽게 만들 수 있다. 

이 기술은 현재 특허 출원을 앞두고 있다. 또한, 레이저 소스와 스캐너를 가로와 세로 방향 모두 0.5m씩 추가 연결할 수 있어 향후 ‘수 m 부품 제작용 프린터’개발도 가능할 것으로 전망된다. 

연구원은 프린터를 활용해 원전 열교환기, 임펠라 등 니켈 합금 소재의 시작품 5종 제조에 성공했다. 

이번 성과는 금속 절삭기계 전문 제조기업인 씨에스캠㈜(CSCAM, 대표 이철수)과 공동 협력한 결과다. 

한국원자력연구원 박원석 원장은 “이번 PBF 3D 프린터의 제조 한계 극복은 연구원의 선도적인 기술 혁신 성과”라며, “앞으로 첨단 원자력 기술은 물론, 에너지‧환경, 국방, 우주 산업 등 타 산업 대형 부품 제조에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

연구원 개발 3D 프린터로 제작한 임펠라. (한국원자력연구원 제공)
연구원 개발 3D 프린터로 제작한 임펠라. (한국원자력연구원 제공)

 

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