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금속 제품 제작과 수리에의 새로운 도전 – DMG MORI의 LASERTEC 65 3D 하이브리드를 이용한 적층 제조 사례

금속 3D 프린팅 방식은 크게 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Direct Energy Deposition) 방식으로 나눌 수 있다. PBF는 분말을 소재로 파우더베드에 분말을 평평히 깔고 고에너지의 레이저나 전자빔을 선택적으로 조사하여 소결시키거나 용융시켜 적층하는 방법이다. 레이저는 갈바노 스캐너를 사용하여 레이저 경로를 제어하고, 코일로 구성된 편향 렌즈가 전자빔을 움직인다.

PBF 방식은 세밀한 형상을 구현하는 데 유리한 장점을 가지고 있다. 하지만, 치수 개념으로 볼 때 ‘정밀도가 우수’하다고 볼 수는 없어 현장의 요구 수준을 맞추기는 어렵다. 반면, 챔버 안에 여러 개의 파트를 구성해서 한 번에 많은 파트를 적층할 수 있기 때문에, 생산성은 오히려 높다고 볼 수 있다. DED 방식의 경우는 한 번에 한 개의 파트만 제조한다.

PBF는 독일 EOS 사가 분말과 레이저 열원을 기반으로 하는SLS(Selective Laser Sintering)공정을 선보인 것을 시작으로 발전되었다. 현재는 많은 업체가 용융방식의 SLM(Selective Laser Melting)공정 위주로 솔루션을 개발하고 있는 상황이다.

DED는 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 조사하면 순간적으로 용융지가 생성되는 동시에 금속분말도 공급되어 실시간으로 적층한다. 용접과 유사한 방법으로 기존 제품에 덧붙여 쌓아 올릴 수 있어 보수작업에 활용할 수 있다. 또, 여러 가지 분말을 동시에 활용하여 실시간으로 합금을 제작하거나 다른 재질을 사용할 수 있다.

DED는 정밀도가 낮아 후가공이 필요한 단점이 있지만, 생산성이 높고 재현 반복성이 뛰어나며 강도와 충격치가 높은 장점을 가진다. DED방식은 고에너지의 레이저나 전자빔을 이용하여 동축으로 분말을 송급 및 적층하는 ‘분말기반 DED’, 용접과 유사하게 고체용가재를 공급해 다양한 열원으로 용융 및 적층하는 ‘고체용가재 기반 DED’로 분류된다. 분말 기반의 DED는 레이저업체에 따라 DMD(Direct Metal Deposition), DMT(Direct Metal Tooling) , CLAD(Construction Laser Additive Direct) 등 다양한 이름으로 사용되고 있다.

적층 가공 만으로는 부족한 2%
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 없었다. 오랜 기간동안 ‘단일 셋업’의 콘셉트로 이 한계를 극복해 온 기업이 바로 DMG MORI다. 

실제 제조 현장에서 금속 적층이 받아들여지기 위해서는 소비자가 요구하는 표면 조도와 정밀도를 어느 정도 갖춰야 한다는 것이 DMG MORI의 판단이었다. 이에 금속 3D 프린팅만으로는 분명 한계가 있다고 보고 적층 가공과 절삭 가공 두 가지 방식이 결합된 하이브리드 방식을 개발했다. 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. 

DMGMORI의 LASERTEC 65 3D 하이브리드
DMGMORI의 LASERTEC 65 3D 하이브리드

DMG MORI는 금속 적층 가공의 모든 범위뿐만 아니라 가공과 결합한 하이브리드까지 포괄하는 포트폴리오를 갖춘 유일한 기업으로, 2014년에 일찌감치 자사의 동시 5축 가공 기술과 DED 방식 중 하나인 파우더 노즐 방식을 결합한 LASERTEC 65 3D를 공개하며 하이브리드 가공기 시장에 불을 지폈다.

3D 프린팅을 위한 레이저 헤드와 밀링 공구를 자유자재로 교환하며 적층 가공과 밀링 가공을 필요에 따라 효율적으로 활용함으로써 복잡한 형상의 제품도 정밀하고 효율적으로 제작할 수 있게 해주는 LASERTEC 65 3D는 금속 파우더가 레이저빔을 통해 녹아 내리면서 베드에 분사되는 ‘파우더노즐 방식’을 이용하여 적층 조형을 진행한다. DMG MORI가 오랜 기간 축적해 온 5축 기술은 테이블 각도 조정을 통해 서포트 없이도 용융된 금속 소재가 흘러내릴 걱정 없이 쉽고 빠르게 프린팅할 수 있게 해준다.

DED 방식과 동시 5축 가공을 결합한 하이브리드 방식의 융합을 통해 각각 따로 존재할 경우 발생하는 제조 상의 한계를 상당 부분 없애준다.
DED 방식과 동시 5축 가공을 결합한 하이브리드 방식의 융합을 통해 각각 따로 존재할 경우 발생하는 제조 상의 한계를 상당 부분 없애준다.

하이브리드 방식의 매력
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.

하이브리드 방식의 적층 제조 프로세스를 수행할 때에는 적층 시 약간의 오프셋(여유)을 주어 적층한 후 밀링으로 깎아내는 방식을 사용하는 것이 기본이다. 이때 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.

하이브리드 적층 제조 사례

① 다이캐스팅 금형의 제작 사례

내부 냉각 터널을 만들고 금형 내부와 외부를 다른 금속 분말로 적층해서 코어를 제작했다.
내부 냉각 터널을 만들고 금형 내부와 외부를 다른 금속 분말로 적층해서 코어를 제작했다.
금형 내부 냉각 터널
금형 내부 냉각 터널

사례로 설명할 다이캐스팅용 금형은 하이브리드 방식인 DMG MORI의 LASERTEC 65 3D를 이용해 제작한 다이캐스팅용 금형으로, 기존의 주조 방식으로 만들어낸 금형과 겉 모양, 크기, 강도 등의 기능은 모두 동일하다. 하지만, 내부는 완전히 다른 새로운 금형으로 탄생하였다.

우선, 내부 냉각 터널이 있고 안쪽은 구리 계열(CuAl), 바깥쪽 스킨 부분은 SUS(316L)를 사용해 내부와 외부를 이종 금속 분말로 적층하는 방식으로 금형 코어를 만들어냈다. 이 결과 냉각 효율을 2배 가량 향상시킬 수 있다. 또한, 내부 냉각 터널의 경우 밀링이 장착된 하이브리드 방식의 장점을 활용해 직선 구간을 드릴링했다. 

이런 내부 냉각 터널은 PBF 방식에서도 많이 시도하는데, 그 방식의 경우 냉각 터널의 조도가 매우 좋지 않은 치명적인 단점이 있다. 이때문에 내부에 슬러지나 찌꺼기가 발생할 수 있는 위험이 존재할 수밖에 없다. 하지만, 하이브리드 방식으로 드릴링한 결과물은 아주 매끈한 조도를 나타내고 정확한 진원도를 가지며 내부를 흐르는 냉각수의 유속도 빠르다. 더불어, 제조 과정에서 스크랩이 3.36%가 줄어들어 원가 절감이 가능했고, DED 방식의 특성상 기존 주조 제품 대비 적은 내부 기공을 나타내 품질이 향상되는 등 다양한 제조 상의 장점을 나타냈다.

 DED 방식으로만 가능한 이종 금속 분말을 사용한 적층 가공으로 제작한 다이캐스팅 금형에 냉각수를 강한 압력으로 집어넣은 후 3초만에 금형의 온도가 40% 낮아졌다. 열전도율이 2배 가량 높아진 것이다. 좌측 사진은 기존 주조 방식의 금형 사진이고 우측은 이종 금속으로 적층한 금형이다. 우측 사진의 경우 금형의 온도가 매우 낮은 것을 알 수 있다.
DED 방식으로만 가능한 이종 금속 분말을 사용한 적층 가공으로 제작한 다이캐스팅 금형에 냉각수를 강한 압력으로 집어넣은 후 3초만에 금형의 온도가 40% 낮아졌다. 열전도율이 2배 가량 높아진 것이다. 좌측 사진은 기존 주조 방식의 금형 사진이고 우측은 이종 금속으로 적층한 금형이다. 우측 사진의 경우 금형의 온도가 매우 낮은 것을 알 수 있다.
기존 주조 방식의 금형(좌)의 경우 기공이 확인되지만, DED 방식으로 적층 제조한 금형(우)의 경우 기공이 거의 보이지 않는다. 치밀한 기계 내부 성질로 내압성이 향상되어 금형의 품질이 높아지는 것이다.
기존 주조 방식의 금형(좌)의 경우 기공이 확인되지만, DED 방식으로 적층 제조한 금형(우)의 경우 기공이 거의 보이지 않는다. 치밀한 기계 내부 성질로 내압성이 향상되어 금형의 품질이 높아지는 것이다.

② 다이캐스팅 전단 금형 재생 사례
DED 방식의 적층 가공 기술에 기대하는 것 중 하나는 국부적 손상으로 인해 안타깝게 폐기 처리를 해야만 했던 금속 부품의 수리·보수가 가능해지리라는 것이다. 다이캐스팅 금형은 금형 캐비티 안에 뜨거워진 알루미늄 용액을 아주 강한 압력으로 밀어넣어서 형태를 만들기 때문에 금형에 스트레스가 많이 가해진다. 

이 때문에 자동차 부품용 다이캐스팅 금형은 균열이 생기거나 마모와 비틀림이 생기는 등 파손되어 끊임없이 수리를 통해 재생하여 사용하게 마련이다. 

일본의 도요타 보다인은 연간 수십만 대 분의 차량에 들어가는 엔진 실린더 하우징과 같은 알루미늄 다이캐스팅을 전문적으로 하는 회사다. 이 회사 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.

이 결과 종전의 TIG 용접 수리보다 금형 수명이 3배 늘어났고, 반복된 작업에도 수리의 정밀도 및 신뢰도가 좋아졌다. 수동 작업에 비해 생산 공정이 간소화 되고 수리 원가가 줄어들고 품질은 더 향상되었다. 도요타 보다인의 자체 보고서에 따르면 약 300%의 생산성 향상이 있었다고 한다.

  1.  마모된 금형 코어

    마모된 금형 코어. 마모로 인해 금형의 높이가 낮아진 것을 알 수 있다.
    마모된 금형 코어. 마모로 인해 금형의 높이가 낮아진 것을 알 수 있다.

     

    2. 적층 준비를 위한 밀링 작업

    마모된 금형을 수리하기 위해서는 적층할 부분 평탄하게 하기 위해 기존 소재를 제거하는 작업이 필요하다. 제거할 부분을 색깔로 표시했다.
    마모된 금형을 수리하기 위해서는 적층할 부분 평탄하게 하기 위해 기존 소재를 제거하는 작업이 필요하다. 제거할 부분을 색깔로 표시했다.
    적층하기 전에 색칠한 부분을 밀링 가공으로 날려버린다.
    적층하기 전에 색칠한 부분을 밀링 가공으로 날려버린다.

    3. 적층 시뮬레이션
    DED 방식의 적층 과정을 지멘스 NX 프로그램을 이용해 사전 시뮬레이션 하고 있다.

    DED 방식의 적층 과정을 지멘스 NX 프로그램을 이용해 사전 시뮬레이션 하고 있다.

    4. 적층으로 마모된 부분 육성 

    밀링 가공으로 날려버린 부분을 DMGMORI LASERTEC 65 3D hybrid를 이용해 쇳물을 녹이고 육성하는 방식인 DED 방식으로 쌓아 올린다. (도요다 보다인 공장에서 촬영)
    밀링 가공으로 날려버린 부분을 DMGMORI LASERTEC 65 3D hybrid를 이용해 쇳물을 녹이고 육성하는 방식인 DED 방식으로 쌓아 올린다. (도요다 보다인 공장에서 촬영)

    5. 수리 완료!

     

    적층을 완료한 금형을 다시 한 번 밀링 가공으로 마무리하여 수리를 완료한다. DMGMORI LASERTEC 65 3D hybrid를 이용하면 이 전체 과정을 한 번의 셋업으로 가능하다.
    적층을 완료한 금형을 다시 한 번 밀링 가공으로 마무리하여 수리를 완료한다. DMGMORI LASERTEC 65 3D hybrid를 이용하면 이 전체 과정을 한 번의 셋업으로 가능하다.

About 이상준 기자

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

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