Home / highlight / 화려한 3D 프린팅의 무대 뒤에는 – 금속 적층 제조 후가공 이야기
3D SYSTEMS eBook 다운로드 하기

화려한 3D 프린팅의 무대 뒤에는 – 금속 적층 제조 후가공 이야기

3D 프린팅의 저변이 확대되기 위해서는 DfAM 방식으로의 접근이 필요하다. 반면, 기술 저변 확대를 어렵게 하는 요인 중 하나로 꼽히는 것이 적층 가공의 후처리 공정이다. 현장에서는 특히 금속 적층 가공 시 손이 많이 가는 후처리의 어려움을 많이 토로한다. 적층 가공 후처리는 어떻게 진행되는지 알아보았다.

아우라테크 김명세 대표
아우라테크 김명세 대표

금속 적층 가공 후처리에 대해 알아보기 위해 판교에 위치한 아우라테크(대표이사 김명세)를 찾아가 보았다. 아우라테크는 금속 적층 가공 후처리 전문 기업으로 적층 가공 결과물에 대한 절단, 서포트 제거, 표면처리, 힙 공정, 용체화·시효 열처리, 쇼트피닝, 전해·화학연마, 보수 용접 등의 공정을 제공하는 국내에서 찾아보기 어려운 전문 기업이다. 일본 시장 진출도 준비하고 있다.

이 회사 김명세 대표는 “후가공이 필요한 이유는, 금속 적층 가공의 경우 금속 분말과 열원을 가지고 작업을 하기 때문에 마치 용접 공정처럼 ‘결함’을 전제로할 수밖에 없기 때문이다.”라고 말했다. 열처리와 같은 후공정을 거쳐야만 신뢰성 있는 부품으로 기능을 기대할 수 있다는 것이다. 부품 한개를 금속 적층 제조로 만들 경우 총 단가에서 후처리가 차지하는 비중이 30~40%에 달함에도 불구하고 필수 공정으로 받아들여지는 이유가 여기에 있다.

국내의 경우 아직은 기계적 물성, 합금 분말의 화학적 분석 등 소재에 대한 깊은 이해를 가지고 금속 적층 공정을 수행하는 곳이 많지 않다. 이런 상황에서 내부의 잔류응력을 제거하는 열처리와 같은 기본적인 과정 마저 없다면 과연 그 결과물로부터 원하는 특성을 얻어낼 수 있을지는 미지수인 것이다. 그렇다고 종전에 뿌리산업 공정에서 하던 것처럼 열처리만 한다고 끝나는 것은 아니다. 적층 제조 결과물 만의 특성에 대한 이해를 바탕으로 한 후처리가 반드시 필요하며, 이를 통해 금속 적층제조 후처리에 대한 데이터도 방대하게 축적이 되어야 한다.

금속 3D 프린팅의 후공정을 어려워하는 사람들에게 도움이 되길 바라며 사업을 시작했다는 아우라테크의 김명세 대표로 부터 금속 적층 제조 후처리에 대해 상세한 설명을 들었다.

금속 적층 가공 후처리 프로세스 따라가보기

1. 수입 검사 적층 제조 공정으로 제작된 제품이 입고되면 먼저 길이, 높이, 두께 등의 제품 형상을 측정한다. 또한, 제품의 경도, 표면 조도, 무게 등도 측정 해 놓는데, 이런 특성들은 후처리 결과 변화가 생길 수 있는 부분이기도 하다.
1. 수입 검사
적층 제조 공정으로 제작된 제품이 입고되면 먼저 길이, 높이, 두께 등의 제품 형상을 측정한다. 또한, 제품의 경도, 표면 조도, 무게 등도 측정 해 놓는데, 이런 특성들은 후처리 결과 변화가 생길 수 있는 부분이기도 하다.
2. 분말 제거 적층 가공된 파트의 서포트 안에는 보통 분말이 가득차 있다. 우선 초음파 세척기에 파트를 담궈서 제품 안의 분말을 말끔히 제거한다.
2. 분말 제거
적층 가공된 파트의 서포트 안에는 보통 분말이 가득차 있다. 우선 초음파 세척기에 파트를 담궈서 제품 안의 분말을 말끔히 제거한다.
3. 열처리 베이스 플레이트를 절단하기 전, 후 또는 전후 모두에 열처리를 거쳐 부품의 응력을 해소하는 작업을 진행한다. 대기 상태에 보통 20%의 산소가 존재하는데 산소가 없어야 열처리 시 산화가 발생하지 않는다. 가스를 투여해 잔존 산소를 1% 대로 낮추는 가스 치환 작업 후 진공로에서 열처리한다. 열처리 후에는 상황에 따라 팬으로 공기를 불어 넣는 팬냉을 하거나 기름 또는 물을 이용한 담금질 작업이 뒤따른다.
3. 열처리
베이스 플레이트를 절단하기 전, 후 또는 전후 모두에 열처리를 거쳐 부품의 응력을 해소하는 작업을 진행한다. 대기 상태에 보통 20%의 산소가 존재하는데 산소가 없어야 열처리 시 산화가 발생하지 않는다. 가스를 투여해 잔존 산소를 1% 대로 낮추는 가스 치환 작업 후 진공로에서 열처리한다.
열처리 후에는 상황에 따라 팬으로 공기를 불어 넣는 팬냉을 하거나 기름 또는 물을 이용한 담금질 작업이 뒤따른다.
4. 파트 절단 PBF 방식으로 적층 한 결과물은 보통 베이스 플레이트에 부착된 형태로 입고된다. 밴드소를 사용해 베이스 플레이트에서 파트를 절단하는데 20분 가량 소요된다. ▶ 아우라테크 신동수 주임연구원
4. 파트 절단
PBF 방식으로 적층 한 결과물은 보통 베이스 플레이트에 부착된 형태로 입고된다. 밴드소를 사용해 베이스 플레이트에서 파트를 절단하는데 20분 가량 소요된다.
▶ 아우라테크 신동수 주임연구원

IMG_6951

IMG_6947

5. 서포트 제거 지금의 금속 적층 가공이 있게한 주인공인 ‘서포트’, 그러나 적층이 끝나고 나면 공공의 적이된다. 서포트 제거 작업은 매우 번거로운 작업이기 때문이다. 서포트 제거 작업시에는 결과물 외관의 품위를 위해서 숙련된 작업이 필요하다. 절단하고 다듬기 위해 다양한 공구를 사용한다.
5. 서포트 제거
지금의 금속 적층 가공이 있게한 주인공인 ‘서포트’, 그러나 적층이 끝나고 나면 공공의 적이된다. 서포트 제거 작업은 매우 번거로운 작업이기 때문이다. 서포트 제거 작업시에는 결과물 외관의 품위를 위해서 숙련된 작업이 필요하다. 절단하고 다듬기 위해 다양한 공구를 사용한다.
6. 보수 용접 실제 금속 적층 가공시에는 설계 오류 또는 공정 중 리코터와의 충돌 등 많은 오류가 발생한다. 다시 적층하면 되지만 많은 시간과 비용이 소모된다. 그래서, 후작업에서 보수가 가능한 불량의 경우는 재가공을 피하고 후공정을 통해 보수한다. 사진은 스테인레스 316L을 사용한 금속 적층 결과물이다.
6. 보수 용접
실제 금속 적층 가공시에는 설계 오류 또는 공정 중 리코터와의 충돌 등 많은 오류가 발생한다. 다시 적층하면 되지만 많은 시간과 비용이 소모된다. 그래서, 후작업에서 보수가 가능한 불량의 경우는 재가공을 피하고 후공정을 통해 보수한다. 사진은 스테인레스 316L을 사용한 금속 적층 결과물이다.
6. 보수 용접 알곤을 사용하는 TIG 용접이 현실적인 대안인데, 아우라테크는 3D 프린팅에서 주로 사용하는 특수 소재로 된 용접봉을 완비하고 있다.
6. 보수 용접
알곤을 사용하는 TIG 용접이 현실적인 대안인데, 아우라테크는 3D 프린팅에서 주로 사용하는 특수 소재로 된 용접봉을 완비하고 있다.
7. 표면 처리 금속 적층 가공 특히 PBF 방식으로 적층한 결과물의 표면은 일반적인 절삭 가공 등의 결과물에 비해 표면 조도가 확연히 떨어진다. 이를 커버하기 위해 알루미늄 옥사이드, 실리콘 카바이드 등을 사용하는 쇼트블라스트 과정을 두차례, 0.1mm 스테인레스 볼을 사용해 표면을 다듬는 피닝 공정을 한차례 진행한다.
7. 표면 처리
금속 적층 가공 특히 PBF 방식으로 적층한 결과물의 표면은 일반적인 절삭 가공 등의 결과물에 비해 표면 조도가 확연히 떨어진다. 이를 커버하기 위해 알루미늄 옥사이드, 실리콘 카바이드 등을 사용하는 쇼트블라스트 과정을 두차례, 0.1mm 스테인레스 볼을 사용해 표면을 다듬는 피닝 공정을 한차례 진행한다.
8. 표면 광택 더 좋은 표면 품위가 필요한 경우 건식 전해 연마 공정을 통해 광택을 낸다. 건식 전해 연마 공정은 습식 전해 연마 공정 대비 폐수 발생이 없고 작업자의 노하우에서 자유로운 방식이다. 전해체 안에 금속 부품을 넣고 반응시켜 연마한다. ▶ 아우라테크 황유진 주임. 표면처리 전문가이다.
8. 표면 광택
더 좋은 표면 품위가 필요한 경우 건식 전해 연마 공정을 통해 광택을 낸다. 건식 전해 연마 공정은 습식 전해 연마 공정 대비 폐수 발생이 없고 작업자의 노하우에서 자유로운 방식이다. 전해체 안에 금속 부품을 넣고 반응시켜 연마한다.
▶ 아우라테크 황유진 주임. 표면처리 전문가이다.
9. 마무리 치수 측정 모든 후처리가 마무리 되면 파트의 형상과 경도, 표면 조도, 무게 등 수입 검사에서 측정한 항목을 다시 측정해 변화를 체크한다. 특히 열처리로 인한 경도 변화는 반드시 측정해 해당 부품이 요구하는 강도를 만족하는지를 검증하게 된다.
9. 마무리 치수 측정
모든 후처리가 마무리 되면 파트의 형상과 경도, 표면 조도, 무게 등 수입 검사에서 측정한 항목을 다시 측정해 변화를 체크한다. 특히 열처리로 인한 경도 변화는 반드시 측정해 해당 부품이 요구하는 강도를 만족하는지를 검증하게 된다.

About 이상준 기자

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