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AM의 한계를 융합으로 극복하다 – DMG MORI의 금속 3D 하이브리드 프린팅

적층 가공의 유용성에도 불구하고 현장에서 요구하는 마이크로미터 단위 수준의 표면 조도와 치수 정밀도와 같은 품질에 대한 한계는 계속 지적되어 왔다. 후가공 후처리 등으로 극복하고는 있지만, 공정상의 어려움은 피할 수 없다. 여기, ‘단일 셋업’으로 모든 한계를 극복해 내는 장비가 있다. 시대가 바뀌어서 약간 구식으로 들릴지도 모르는 ‘융합’의 대표적인 사례다.

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DMG MORI의 AM 포트폴리오
DMG MORI는 금속 적층 가공의 모든 범위뿐만 아니라 가공과 결합한 하이브리드까지 포괄하는 포트폴리오를 갖춘 유일한 기업이다. LASERTEC 65 3D는 DED 방식을 사용하여 대형 부품의 레이저 적층 용접에 포커스하고 있고, LASERTEC 65 3D hybrid는 여기에 밀링 헤드를 추가한 소위 하이브리드 방식의 포문을 연 장비이다. LASERTEC SLM 시리즈는 파우더를 사용하는 PBF 방식을 사용하는 장비로 라인업 되어 있다.

LASERTEC 65 3D hybrid 가공 범위 - ø500 × 400mm, 빌드 레이트 - 평균 750g/h(강, 90cm³/h), 빌드 레이어: 약 0.8~1.5mm
LASERTEC 65 3D hybrid 가공 범위 – ø500 × 400mm, 빌드 레이트 – 평균 750g/h(강, 90cm³/h), 빌드 레이어: 약 0.8~1.5mm

LASERTEC 3D hybrid : 완벽한 적층과 금속 절삭 조합
DMG MORI의 접근은 이랬다. 실제 현장에서 금속 적층이 받아들여지기 위해서는 소비자가 요구하는 표면 조도와 정밀도를 어느 정도 갖춰야 한다는 것. 그러나, 금속 3D 프린팅만으로는 분명 한계가 있다고 보고 적층 가공과 절삭 가공을 결합해야 한다고 판단했다. 두 가지 방식의 가공이 결합된 하이브리드 방식의 가장 중요한 장점은 ‘단일 셋업’이다. 단일 셋업으로 동시 5축 밀링 가공과 DED 방식의 적층이 툴 체인지 방식으로 진행되기 때문에 전체 프로세스상에서의 시간 단축과 정밀도가 보장되는 것이다. DMG MORI의 김중경 기술이사는 “현장에서 요구하는 마이크로미터 단위의 표면 조도와 치수 정밀도를 맞출 수 있어야만 10억 이상 하는 장비 도입의 타당성이 있다고 생각한다.”라고 말한다.

제품을 개발하는 과정이라면 더 매력적인 장점을 주는데, 예를 들어 적층으로 제품을 형성하는 과정에서 오류가 발생하거나 마음에 들지 않는 경우 밀링으로 일정 부분을 깎아버리고 다시 적층하면서 보강해 나갈 수 있다는 점은 제품 개발 시 엄청난 자유를 만끽할 수 있는 부분이다. 또한, 적층의 일정 단계가 완성되고 나면 툴을 밀링으로 교체한 후, 툴이 미치지 못해 가공할 수 없는 제품의 내부를 미리 가공하는 공정을 사용한다. 이는 일반 가공 또는 금속 적층을 단독으로 사용할 경우는 불가능한 제품의 제작을 가능케 하는 부분이다.

이 하이브리드 방식의 프로세스를 수행할 때에는 적층 시 약간의 오프셋(여유)을 주어 적층한 후 밀링으로 깎아내는 방식을 사용하는 것이 기본이다. 가공을 최대한 줄이기 위해 오프셋을 얼마나 적게 하느냐가 관건이 될 수 있다. 이 경우 공구가 닿기 어려운 구석, 언더컷 부분까지 가공하기 위한 자유도를 필요로하는 경우가 많기 때문에 3축이 아닌 동시 5축 가공을 부가한 것이다.

DMG MORI에서는 Laser Deposition Welding이라고 부르며 일반적으로는 DED(Directed Energy Deposition)로 알려진 LASERTEC 65 3D의 적층 방식
DMG MORI에서는 Laser Deposition Welding이라고 부르며 일반적으로는 DED(Directed Energy Deposition)로 알려진 LASERTEC 65 3D의 적층 방식

다중 재료 적층 – 오일 드릴 비트 사례
해상에서 바다 밑으로 구멍을 파는 유전 발굴용 드릴 비트가 있다. 땅을 파야 하기 때문에 강도가 높아야 하는 것은 당연하고 다양한 모양의 부품을 볼트로 결합해 사용하는 것이 일반적이다. 미국 휴스턴에 있는 한 기업이 DMG MORI 장비를 이용해서 개발한 오일 드릴 비트는 다중 재료를 적층한 좋은 예다. 베이스는 스테인레스강으로 드릴 팁은 인코넬로 마찰 부하를 가장 많이 받는 팁 부분의 코팅은 텅스텐 카바이드 재질로 적층과 절삭 가공을 반복하여 완성했다. 당연히 단일 셋업으로 적층과 가공이 완성되었다. 성능 향상뿐만 아니라 제작 시간이 짧고, 공정이 줄어 생산원가 절감에 기여한 사례다.

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다중 재료 하이브리드 적층의 좋은 예인 오일 드릴 비트(ø150×160mm). 베이스(1)는 스테인레스강으로 드릴 팁(2)은 인코넬로 팁의 코팅(3)은 텅스텐 카바이드 재질로 적층과 가공을 반복하여 완성된다.

전단 금형 재생 사례
자동차 판금용 전단 금형을 어느 정도 사용하면 파손되고, 재생하여 사용하게 마련이다. 일본 도요타 보다인 역시 기존에는 사람이 티그 용접을 통해 손으로 파손 부분을 육성하고 가공해서 재생 사용했었다. 문제는 양품과 불량이 반복되는 품질 문제를 겪게 된 것이다. 이 회사는 DMG MORI의 LASERTEC 65 3D 하이브리드 장비와 지멘스의 NX CAM을 활용해 재생할 부분을 프로그램으로 모델링 한 후 적층과 가공으로 재생했다. 그 결과 종전의 금형 재생 시 품질 문제를 극복하게 되었다.

파손된 전단 금형(좌) 재생결과(우)
파손된 전단 금형(좌) 재생결과(우)

 

Graded Materials 방식도 가능
두 가지 다른 종류 금속 분말을 프로그램에 의해 적정 비율로 섞어가면서 적층할 수 있다. 두 가지 금속이 가진 성질과 전혀 다른 기능성 금속의 구현이 가능한 것이다. 예를 들어 파이프 또는 밸브의 내부는 특정 화학물질에 내부식성이 있는 금속으로 하고 외부는 내마모성이 강한 금속으로 부가가치를 향상시킬 수 있다. 특정 부위에만 자성을 띄우고 나머지 부분은 자성이 없게 적층하는 등, 종전에 생각할 수 없던 전혀 다른 방식의 맞춤형 금속 제품 제작이 가능해졌다.

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SLM과 DED 마저 융합한다
발전소에 사용되는 냉각수 노즐의 경우 아주 작은 크기임에도 불구하고 내부에는 다수의 냉각수 터널이 있다. 우선 PBF 방식 장비인 LASERTEC 30 SLM으로 적층하고 강한 냉각수 압력을 견뎌야 하는 외부는 DED 방식인 LASERTEC 65 3D 장비로 보강하는 AM 방식 간의 융합도 활용하고 있다. 이 과정에서 CAM 프로그램은 동일하게 유지되는 장점이 있다. SLM과 DED 마저 융합한다.

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About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.