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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국기계연구원 Korea Institute of Machinery and Materials |
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연구책임자 | 이창우 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2018-11 |
과제시작연도 | 2017 |
주관부처 | 과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 | TRKO201900002030 |
과제고유번호 | 1711060319 |
사업명 | 국가과학기술연구회연구운영비지원 |
DB 구축일자 | 2019-06-08 |
제1장 M3P(Metal 3D Printing) 융합연구단 소개
융합연구의 과제도출의 절차에 따라서 산업계 현안으로부터 문제를 정의하고 이로부터 도출된 핵심가치를 구현하기 위해 출연연을 중심으로 연구단을 구성함. 본 연구단은 5개의 핵심가치를 구현하기 위해서 6개의 세부과제로 구성되었음. 산업계 현안을 해결하기위해 프린팅 방식과 핵심가치가 결정되었고 이를 해결하기 위해 연구기관의 특성을 고려하여 6개의 세부과제가 도출됨.
본 금속 3D 프린팅 연구단은 프린팅 방법을 중심으로 3개의 그룹으로 구성되며 연구소의 성격에
제1장 M3P(Metal 3D Printing) 융합연구단 소개
융합연구의 과제도출의 절차에 따라서 산업계 현안으로부터 문제를 정의하고 이로부터 도출된 핵심가치를 구현하기 위해 출연연을 중심으로 연구단을 구성함. 본 연구단은 5개의 핵심가치를 구현하기 위해서 6개의 세부과제로 구성되었음. 산업계 현안을 해결하기위해 프린팅 방식과 핵심가치가 결정되었고 이를 해결하기 위해 연구기관의 특성을 고려하여 6개의 세부과제가 도출됨.
본 금속 3D 프린팅 연구단은 프린팅 방법을 중심으로 3개의 그룹으로 구성되며 연구소의 성격에 따라서 장비, 공정, 재료를 개발함. 한국기계연구원은 장비, 한구생산기술연구원은 공정, 재료연구소와 한국전자통신연구소는 재료를 담당함. 장비의 경우는 연구내용이 명확히 구분되므로 장비별로 3개의 세부과제로 따로 구성하여 책임소재를 명확히 하였고, 공정은 레이저의 열원으로부터 에너지를 공급받아 용융되는 메커니즘이 비슷한 DED(Directed Energy Deposition)와 PBF(Powder Bed Fusion) 공정 설계를 하나의 세부과제로 구성하였음. 또한 고융점의 금속 분말을 공동으로 사용하는 DED(Directed Energy Deposition)와 PBF(Powder Bed Fusion) 방식에 사용되는 재료도 개발을 하나의 세부과제로 구성하였고 융점이 현저히 낮은 ME(Material Extrusion)방식의 금속 재료는 분리하여 독립된 세부과제로 구성하였음. 인위적으로 세부과제의 규모를 키워 융합성을 보이기보다는 연구내용이 명확히 구분이 되는 과제를 분리하여 세부과제 책임자의 책임과 권한을 명확히 하였음. 특히 주관기관인 한국기계연구원이 세부과제를 3개로 나누게 되어 융합연구에 부적절하다는 일부에 우려가 있었으나 연구단 운영방식이 세부과제 책임자를 중심으로 1주에 한번 씩 진도점검을 통해서 이루어지는 구조에서는 연구 분야별로 과제를 구성하여 효율성을 증대시킴.
◦ 한국기계연구원 : DED, PBF, ME 3가지 타입의 금속 3D 프린터 개발, 국방 부품 및 금형 개보수 및 성능향상
◦ 한국생산기술연구원 : PBF 방식의 공정기술 개발과 임플란트, 금형 분야 활용
◦ 한국전자통신연구원 : ME 방식의 저융점 소재 개발
◦ 재료연구소 : DED, PBF용 분말 소재 개발
□ 운영위원회
- 산학연 전문가로 구성
- 연구방향 자문
- 연구목표 수정이나 연구성과 평가
□ 기술사업화 추진위원회
- 수요기업과 기술이전 희망업체 및 기술사업화 관계자로 구성
- 산업체의 기술수요 자문
- 사업화를 위한 홍보 및 투자 자문
- 기술이전 및 연구소 기업 설립
□ 특허전략위원회
- 연구단장, 세부책임자, 자문 변리사로 구성
- 특허회피 전략 및 핵심특허 확보방안
- 특허출원 심의
□ Metal 3D Printing 연구회
- 산학연 Metal 3D Printing 관련자 중 연구회 가입자
- Metal 3D Printing을 이용한 제조방안 혁신을 위한 저변확대
- Metal 3D Printer 실비활용 특전
□ 연구책임자 협의회
- 연구단장 및 세부과제 책임자로 구성
- 연구단 운영을 위한 실무 운영단
- 매주 회의를 통해 연구진도 및 협의사항 점검
- 운영위원회 결정사항 달성을 위한 연구내용 조정
- 연구결과 검토 및 협의
제2장 핵심가치별 연구내용 및 실적
제1절 핵심가치 1
1. 국내외 연구현황 및 문제점
◦ DED (Directed Energy Deposition) 방식의 금속 3D 프린팅 기술은 선진국인 미국의 OPTOMEC사, 독일의 Trumpf사 등을 중심으로 기술개발을 선도하고 있음
◦ 특히, 미국은 이미 20 여년전 부터 국방분야에서의 3D 프린팅을 이용한 보수 및 실증 작업을 성공적으로 수행하고 있음
◦ 하지만 국외에서도 일반 산업분야에서의 DED 방식의 3D 프린팅을 이용한 성공사례를 찾아보기 힘듦
◦ 국내에서는 2015년 전투기 부품의 한 품목의 보수가 이루어진 사례가 있었으나, 그 후 사례가 없으며 산업분야에서의 성공사례는 전무한 상황
◦ 한국은 세계 유일의 분단군가이며, 산업분야에서는 세계 2위의 금형수출국의 지위를 가지고 있어 이들 분야에서의 3D 프린팅 기술 접목을 통한 고도화가 필요
◦ 국방 및 산업분야의 실제 적용을 위해서는 적층속도의 고속화, 균일한 적층품질 확보기술, 가공준비 시간을 단축기술 개발이 필수적
2. 연구목표
금형 및 국방 부품 개보수가 가능한 적층속도 100 ㎤/h 급 고속 DED 3D 프린터 개발
- 고속화 : 적층속도 100 ㎤/h 급 Wire feeding type DED 3D 프린팅 기술
- 균일 적층 품질 : 와이어 회전공급 방식으로 균일한 적층 품질확보 (Wire Type) 일정 Stand-off 유지로 균일한 적층 품질확보 (Powder Type) 균일한 분말 공급으로 균일한 적층 품질 확보 (Powder Type)
- 가공준비 시간 단축
: Auto Surface Tracking 적층으로 CAD 파일 없이 간단한 정렬작업만으로 용이한 보수작업 가능 (기존 대비 1/10 수준 단축)
3. 연구내용 및 실적
(1) DED 3D 프린팅 장비 개발
① Wire-feeding type DED 시스템 개발
◦ 적층속도 100 ㎤/h 급 고속 Wire-feeding type DED 시스템 개발
- 회전형 와이어 피딩 : 와이어 공급 방향이 비드 형성 방향의 반대 방향에서 항상 공급 되는 회전형 와이어 피딩 구조로 고품질의 금속 적층에 유리
- 적층 속도 : 105.18 ㎤/h
② Powder-feeding type DED 시스템 개발
◦ 프로세싱 헤드, 파우더 피더, 스테이지 등 핵심부품 및 구동 소프트웨어 자체 개발
- Build Envelope : 1.7 m × 1.1 m × 1.0 m
- Powder feeder의 분말제어변동 계수 : Max. 1.678 %
◦ Auto Surface Tracking Module 개발
- 적층면과 프로세싱 헤드 사이의 거리 (Stand-off)를 실시간 측정하여 최적거리 유지피드백 제어 (레이저 빔 크기, 파우더 포커싱 위치 일정 유지)
- 실시간 Auto Surface Tracking 적층으로 보수부품의 CAD 데이터 없이 적층작업이 가능하여, 적층을 위한 위치 정렬작업시간도 대폭 단축됨
- Auto Surface Tracking Error : Max. 270.9 μm
(2) 3D 프린팅 국방분야 및 산업분야 적용
① 국방분야 적용
◦ 한국군 함정 및 전차용 국방부품 3D 프린팅 보수 정비 실증
- 해군 함정연구소 손상 함정부품 보수
: 원재료 대비 염수에 강한 이종소재 (SUS316L) 적층보수 (내부식성 향상)
- 육군 종합정비창 손상 전차부품 보수
: 원재료 대비 고강도 이종소재 (M2) 적층보수 (적층부 경도 HRC 61.2 )
: 보수 후 형상, 물성 테스트 / 다이나모미터 테스트 / 운용 테스트 종합통과야전 적용 테스트 준비 중 (육군부품 DED 3D프린팅 보수 국내 최초 적용)
② 산업분야 적용
◦ 자동차부품용 프레스금형 3D 프린팅 실증
- 프레스 금형 적용
: 기존 STD11 금형 → 인선부 고경도 M2 소재 (모재 STD11) 부분 3D 프린팅
: 경도 향상 (HRC 58 → HRC 61.2)
: 인선부 3D 프린팅만으로 7시간 열처리를 거친 M2 소재 금형과 동일 내마모성 확보
제2절 핵심가치 2
1. 국내외 연구현황 및 문제점
◦ 최근 대형부품을 프린팅할 수 있는 상용 PBF 프린터의 대형화가 진행되고 있음
- 대형 PBF 프린터 : Build volume(L×W×H)이 500×280×365㎜3이상
- 3D Systems사 : Build volume((L×W×H) 500×500×500㎜3
◦ 대형 PBF 프린터에는 조사면적(build area)을 확장하기 위해 2~4개의 갈바노 스캐너를 장착되어 있으며, 각각의 갈바노 스캐너에는 1개의 레이저가 연결되어 있음
- EOS사(M400-4 프린터) : 4개의 갈바노 스캐너와 4개의 레이저가 장착
◦ 갈바노 스캐너의 광학적 특성상 조사면적이 증가하면 레이저 빔의 초점직경이 증가하게 되어 프린팅 분해능(resolution)이 저하됨
- SLM사(SLM 500 프린터) : 레이저 빔 초점 직경 ≥ 80㎛
2. 연구목표
◦ 우주항공, 자동차, 의료, 에너지 등 분야 대형 부품을 프린팅할 수 있는 고분해능 PBF 프린터 개발
3. 연구내용
◦ 복합 스캐너 기반 고분해능 대형 PBF 프린팅 공정 및 장비(시작품) 개발
- PBF 프린터에서 레이저 빔을 조사하기 위해 일반적으로 적용되는 갈바노 스캐너와 f-θ렌즈의 광학적 특성에 의해 프린터의 조사면적을 넓히기 위해 초점거리가 큰 f-θ렌즈를 적용하면 분말 층에 형성되는 레이저 빔의 초점직경이 증가하여 프린팅 분해능이 저하됨
- 대형부품의 프린팅 시 프린팅 고분해능을 높이기 위해 갈바노 스캐너를 스테이지에 장착하여 이송하면서 프린팅 공정을 수행하는 PBF 공정과 시작 장비를 개발함
* Gantry 방식의 X-Y 스테이지에 2개의 갈바노 스캐너를 장착하고, 각각의 스캐너에서 조사되는 레이저 빔의 초점직경을 달리하여 대형 부품의 외곽선은 상대적으로 작은 초점직경의 레이저 빔으로 프린팅하고, 내부는 직경이 큰 레이저 빔으로 프린팅하는 방식임
* 스캐너 이송방식으로 스캐너의 조사면적 내에서 초점직경이 거의 일정한 telecentric f-θ렌즈를 적용(상용 PBF 프린터에 적용되고 있는 일반적인 f-θ렌즈의 경우 조사면적내에서 위치에 따라 레이저 빔의 형상이 변화되어 분말 층에 유입되는 레이저 에너지 분포가 변화하게 됨)
* Build volume(L×W×H) 500×400×350㎜3, 분해능 40㎛
- 출시된 대형 PBF 프린터 대비 높은 프린팅 분해능을 확보함
제3절 핵심가치 3
1. 국내외 연구현황 및 문제점
(1) 의료 산업
◦ 인공 두개골
- 현행 시술방법은 두개골 뼈의 손실이 있는 경우, 환자의 결손부위를 골 시멘트를 손으로 두개골 형태로 단 시간(7~8분 내) 내 만들어야 함. 시간이 지나면 골 시멘트가 딱딱해져 변형이 불가능하며, 여러 개의 골 시멘트 제품을 사용해도 형태를 못 맞추기도 함. 결손 부위가 크면 클수록 기술적 어려움이 극대화됨.
- 선진국에서 간혹 티타늄합금(Ti-6Al-4V계열)을 이용하여 인공두개골 수술을 시행한바 있으나, Al(알츠하이머 질환 유발)과 V(독성물질) 원소가 들어가 있으므로 인체에 유해한 물질이 용출되어 심각한 문제를 초래할 수 있음.
- 유해물질이 없는 순수티타늄을 사용하면 이러한 문제를 해결할 수 있으나, 강도가 부족하여 그간 상용화에 어려움이 있었음.
- 3D 프린팅 공정 최적화를 통해 티타늄합금에 근사한 수준의 고강도 순수티타늄 제품을 환자맞춤형으로 제작할 수 있으면 이러한 문제점 해결 가능함.
◦ 인공 슬관절
- 기존 정형화된 크기의 임플란트 제품을 이용한 수술시에는 탈구, 피로감, 변형 등 합병증의 문제가 빈번하게 발생해왔음.
- 기존 상용 인공 슬관절의 기대수명이 10~15년으로 60세의 환자의 경우 수술 후 75세 이상이 되는 경우 슬관절의 교체가 불가피 하나 재수술이 사실상 불가능 함. 이에 고령화 시대에 맞춰 인공 슬관절은 25~30년의 기대수명이 요구됨.
- 점점 인공관절의 수요가 증가하고 있으나, 한국시장에서는 인공슬관절의 90%를수입에 의존하고 있으며 이 제품은 동양인 신체구조에 적합하지도 않음
- 3D프린팅 공정/후처리 최적화 기술 및 설계 기술 개발을 고내마모성 제품을 만들고,환자 개개인의 특성에 맞게 프린팅하면 수술시간 단축, 합병증 감소, 수술 정확성 및 환자 안정성 증대되어 기대수명을 늘릴 수 있을 것으로 기대됨.
(2) 금형 산업
◦ 사출성형에서 전체 제품생산 시간에서 냉각이 차지하는 비율이 40 ~ 70 %의 비중을 차지하고 있음
◦ 사출금형에서 Conformal Cooling Channel로 냉각속도 개선, 사이클 타임 감소, 제품 품질 개선 등의 효과로 2025년 30 ~ 50 %의 플라스틱 제품이 3D 프린터로 제작한 금형으로 생산 예상하며, Conformal Cooling Channel을 이용한 냉각효과가 기존 Linear Cooling Channel을 사용했을 때 보다 사출 생산성을 241 % 향상될 수 있다고 보고되어 왔으나, 실용화되지 못하고 있음.
2. 연구목표
- 환자맞춤형 인체삽입형 의료기기 / 균일 냉각 금형코어 실용화
- 소재 및 제품의 요구특성을 극대화 할 수 있는 3D프린팅 공정 최적화/후처리 기술 개발
3. 연구내용
(1) 금속 3D프린팅 공정/후처리 최적화 기반 기술 확립
◦ 완전용융 에너지 계산 기법을 제안하여 다양한 금속재료에 활용이 가능한 고속/고밀도 금속 3D 프린팅 공정 최적화 기술을 개발함.
- 이는 3D 프린팅으로 제작 가능한 모든 금속의 프린팅 조건을 단기간에 도출할 수 있으며, 현재 이를 바탕으로 해외 선진사 대비 기계적 특성을 20% 향상 등 세계 최고수준의 공정기술을 확립함.
- 금속소재별 공정변수(레이저 파워, 스피드 등) 최적화를 통한 기계적 물성 (강도) 극대화 및 고밀도 적층 기술, 소재/제품 특성에 맞는 후처리 (열처리, 표면처리) 공정 개발, 공정최적화를 통해 기존 3D프린팅 대비 5배 이상 생산성 증대.
- 환자의 생체안정성 향상을 위하여 골접촉율, 형상 정밀도 및 표면 조도에 대한 최적화 연구를 수행하였으며, 상기 기술지표를 모두 만족함.
- 인공슬관절에 사용되는 코발트크롬(CoCr)의 제품화를 위해 내부기공 제거를 위한 HIP(Hot Isostatic pressing) 공정 및 상압/용체화 열처리 등 후처리 공정 최적화를 통해 우수한 내마모특성을 얻어냄.
(2) 환자맞춤형 인공두개골 개발 및 임상 수술 (‘16.4월)
◦ 수술 전 환자데이터로부터 역설계를 통해 정확한 치수의 두개골 제작이 가능하여 수술시간 단축 / 수술 후 합병증 감소 / 무게감소 (중공형상 설계) 실현함.
◦ 인체에 무해한 고강도 순수티타늄 두개골 개발 실용화 성공.
- 기존 임플란트에 주로 사용되던 티타늄합금은 알츠하이머를 유발하는 알루미늄과 독성물질인 바나듐이 포함되어 있었으나, 이러한 합금원소가 없는 순수티타늄을 이용한 3D프린팅 공정최적화를 통해 티타늄합금의 강도와 유사한 수준까지 달성함.
- 환자 임상시험을 위하여 필요한 임상 GMP / IRB 획득 및 식약처 인허가 후, 임상시험 수행 완료.
(3) 환자맞춤형 인공슬관절 실용화
◦ 슬관절 좌·우 대칭의 특성을 토대로 환자의 의료데이터로부터 신체 조건과 동일한 제품을 Scan하여 역설계 수행.
◦ 역설계 데이터를 토대로 대퇴부의 각도, 집중적으로 하중이 인가되는 부분들을 사전에 검토 및 확인하고, 시뮬레이션을 통해 마모 및 최대접촉압력을 최소화할 수 있는 제품 설계 완료.
◦ 식약처에서 규정한 인공슬관절 성능 평가 통과
- Wear, Tibiofemoral Contact Pressure, Patellofemoral Contact Pressure, Tibial Base plate Cyclic Fatigue 시험 등을 ISO, ASTM 규격에 적합하게 성능평가 수행.
- 평가 결과, 모두 기준을 통과하고 기존 상용 제품 대비 상위의 결과를 얻어냄.
- 특히, 가장 중요한 평가인 Wear (마모시험)의 경우, 기존 해외 선진사 대비 인공슬관절의 마모 특성을 약 300% 향상시키는 등 최근 요구되는 30년 이상의 기대수명을 가지는 인공슬관절 개발 기술을 확보함. (미국 Element社에서 수행)
(4) 3D프린팅 공정기술 기반 균일 냉각 금형코어/캐비티 제조기술 개발
◦ 금형강 3D프린팅 공정 최적화를 통해 물성 극대화 수행 완료.
◦ 페트병의 Preform 제작을 위해 필요한 사출성형 금형에 3D프린팅을 이용하여 균일 고속 냉각 코어 및 캐비티 (4 cavity)를 제작.
◦ 기존 기계가공법(절삭, 방전 등의 재료제거가공)으로 제작된 일반 금형과 적층성형으로 제조된 균일 냉각 채널이 내재된 코어/캐비티 조립 금형의 시성형 결과 기존 금형 대비 약 40% 이상의 사이클 타임 저감 효과를 확인하였음.
제4절 핵심가치 4
1. 국내외 연구현황 및 문제점
(1) 국내 금속 3D 프린팅용 소재 연구 현황
◦ 철계 분말소재의 경우에는 100% 외국으로부터 수입에 의존하고 있는 실정이며, 최근 현대제철과 포스코에서 순철 분말 제조공장을 설립하여 2014년부터 양산에 들어갈 예정이나, 기존 고로의 선철로부터 수분사 방식으로 대량 생산하기 때문에 소량 다품종에 적합한 3D 프린팅용 합금의 제조는 불가능함. 또한 제조된 분말의 입자크기가 수십~ 수백 ㎛로 조대하므로 미세 입자크기를 요구하는 3D 프린팅용 소재로는 적합하지 않음.
◦ 금속 분말에 대해서는 재료연구소, 한국생산기술연구원 등에서 기존의 금속분말제조방식을 이용한 다양한 소재분말을 개발하고 있으나 아직 상용화하지는 못하였음.
◦ 재료연구소에서는 가스아토마이징 공정을 이용한 각종 금속분말 제조 연구를 꾸준히 해오고 있음. 개발 소재는 공구강 분말, Al합금 분말, 스테인리스강 분말, 초내열합금 분말, 저융점 금속분말 등에 대한 제조 경험이 있으며, 최근에는 HDH 공정으로 제조된 Ti 합금분말을 구상화 처리하여 구형 분말로 제조하는 기술을 확보하고 있음.
(2) 국내 금속 3D 프린팅 소재 시장 동향
◦ 국내 3D프린팅 소재 관련 시장은 아직 형성되어 있지 않음. 일부 DED(Direct Energy Deposition) 방식을 이용한 금형 보수와 관련된 매출이 있으나, 매우 미미한 상황임.
◦ 최근 3D 프린팅의 산업 적용에 대한 관심이 증가하면서 3D프린팅용 금속소재가 핵심기술임을 인지하기 시작하였고, 이에 따라 3D프린팅용 금속분말 제조기술을 국내 독자적으로 확보하고자 하는 시도가 일부 대기업 및 중소기업을 중심으로 확산되고 있는 실정임.
(3) 문제점 및 해결 방안
◦ 기존의 Gas atomizing 공정으로 제조되는 금속 분말의 경우, 평균 분말 입도가약 80㎛정도이며 10∼150㎛ 사이의 입도분포를 가짐. 이중에서 PBF형 3D프린팅에 적합한 45㎛ 이하의 분말은 제조된 전체 분말 중에 약 20% 이하를 차지하고 있어 로 소량만이 3D프린팅에 적용되고 있어 가격 상승의 원인.
◦ 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 고압의 가스분사가 가능한 Hot gas atomizing 공정을 적용하여 미세한 분말을 높은 수율로 제조할 수 있는 기술을 개발하고자 함. Hot gas atomizing 공정은 국내에는 재료연구소가 유일하게 보유하고 있으며,이 공정을 이용한 다양한 금속분말 개발 경험을 보유하고 있음.
2. 연구목표
금속 3D 프린팅 공정에 최적화된 조성, 입도, 유동도를 갖는 구형 금속 분말 저비용제조 기술 개발 (45㎛ 이하급 3D 프린팅용 금속 분말 소재 가격의 50% 이하와 제조수율 85% 이상 달성)
3. 연구내용
(1) 3D 프린팅 맞춤형 금속 분말 저비용 제조 기술 확보
◦ 3D 프린팅용 금형강 분말 제조 수율 약 96.7% 달성 (150 ㎛ 이하)
- Hot gas atomizer의 가스 분사 노즐 설계 및 공정 변수 (가스 온도, 가스 압력, 상챔버가압, 용탕 노즐 등) 최적화를 통해 미세 분말 제조 수율 극대화하였음.
- DED 공정에 사용 가능한 150 ㎛ 이하의 분말 제조 수율을 향상시켰으며 이로 인해 금형강 분말의 제조 단가를 기존 대비 50% 이하로 절감 가능함. 또한 3D 프린팅 공정에 최적화된 입도, 형상, 유동도를 갖는 금속 분말 제조 기술을 확보하였음.
◦ 조형체의 기계적 특성 향상을 위한 합금 조성 설계 기술 확보
- 금형강의 열전도도 향상을 위해 신규 SKD61 합금 조성을 설계하였음.
- Mo, W, Si, Ni, Cu의 원소별 조성비를 조절하여 열전도도를 기존 합금 대비 30% 이상 향상시킴.
- 상용 금형강 분말을 사용하여 3D 프린팅 조형체를 제조하면 적층부 crack이 발생하여 기계적 특성이 좋지 않고, 크기가 큰 조형체 제조가 불가능함. 그러나 재료연에서 개발한 신규 금형강 분말을 사용하여 조형체를 제조하면 crack이 발생하지 않아 비교적 큰 부품에도 응용 가능함.
(2) 3DP용 금속 분말 및 조형체 제조를 응용한 상용화 기술
◦ DED 공정용 초경 합금 분말 제조
- 상용 초경 합금 분말은 0.5~5 ㎛의 WC와 10 ㎛의 Co 분말을 혼합하여 사용하므로 DED 공정에 적합하지 않음.
- 재료연에서는 입자 과립화 공정을 통해 과립 입자 내부에 WC와 Co가 모두 포함되어 DED 공정에 적용 가능한 45~150 ㎛의 초경 합금 분말 제조 기술을 확보하였음. 또한 분말 열처리를 통해 밀도 및 유동도 제어가 가능함.
◦ 금속 3D 프린팅 공정을 이용한 신발 금형 제조
- 기존의 신발 밑창 금형은 금형 설계, 목형 제작(양각), 주물사 제작(음각), 금속 주조(양각)의 4단계를 통해서 제작되고 있음. 금속 3D 프린팅 공정을 적용할 경우 설계 파일을 즉시 출력할 수 있어 공정 기간을 획기적으로 단축할 수 있음. 또한, 신발 디자인 보호 및 공간 활용 측면에서 목형을 제작, 보관할 필요가 없어 스마트 공장화에 용이함.
- 국내 H사와 협업을 통해 금속 3D 프린팅 공정을 이용하여 신발 금형을 제조하였으며,이로 인해 기존 주조 공정에서 발생하던 Burr를 자동으로 제거할 수 있는 기술을 개발하였음.
제5절 핵심가치 5
1. 국내외 연구현황 및 문제점
◦ 현재 전자부품 제조 기술은 개별 소비자의 필요에 즉각적인 대응이 불가능하고, 거대시장에서 미분화되어 있는 수요에는 즉각적 설계 변형으로 대응이 어려워 이에 대한 해결 방안은 기술적으로 큰 이슈임.
◦ 최근, 미국, 유럽, 중국, 일본 등 주요 선진국은 3D 프린팅기술을 국가의 미래 신성장동력 산업으로 인식하고, 미래 시장 선점을 위해 국가차원의 적극적인 연구개발 투자를 통해 적극 지원하고 육성하고 있으나, 전자소자분야의 3D 프린팅기술의 경우 다양한 소재를 동시에 적층해야 하는 특징 때문에 개발에 어려움을 겪고 있음.
◦ 3D 프린팅으로 전자 부품을 제작하면 정밀회로 제작비 절감, 일체형부품제작으로 구성을 단순화, 조립과정 생략, 또 과거 제조법으로 만들 수 없는 아이디어 실현 가능하다는 장점을 지니고 있음
◦ 미국 텍사스 주립대의 W.M. Keck Center for 3D innovation은 부가가공 제반 기술 개발을 위해 설립 된 미국 내 최대 규모의 연구소로, 최근 세계 최초로 항공기용 및 초소형 인공위성(CubeSat) 탑재 시스템을 위한 3D 프린팅 기반 입체 전자소자 관련 연구를 수행 중
◦ 미국 nScrypt사는 직접주사 기술로 제품 내/외부의 3차원 표면에 전자회로를 제작하는 기술 개발하였고, 하버드 대학교 연구진이 주축이 된 Voxel 8사와 이스라엘의 Nanao-Dimension 사는 2가지 물질을 동시에 적층할 수 있는 3차원 electronics용 3D프린터를 개발함
2. 연구목표
3차원 electronics 제조용 저온용융 금속기반 3D 프린팅 복합금속소재 기반 기술 및 다종소재 3D 프린팅 시스템 기술 개발
3. 연구내용
(1) 저온용융 금속기반 3D 프린팅 복합금속소재의 제조 및 물성 평가
◦ 인듐(In), 은(Ag)의 alloy와 마이크론 크기의 구리(Cu) 파우더(파우더의 크기: 5μm, 파우더의 종류: flake형, 얼로이 대비 파우더의 중량비: 0 ~ 10wt.%)가 섞여있는 고전도도의 복합금속을 제조
◦ ASTM D991 표준측정방법을 이용하여 복합금속소재의 전기저항을 평가하였고, 10wt.%의 Cu 파우더가 섞인 소재의 전기적 비저항은 9 μΩ·cm이 나타남
◦ 기능성 나노입자(SiO2, Al2O3, TiO2)를 포함하는 복합유전소재의 유전특성 측정은 ASTM D150 표준시험법에 의하여 측정되었고, TiO2 계열 유전성 복합유전소재의 유전상수는 6.13이 나타남
◦ FDM용도의 무기물을 포함한 복합유전소재의 분산성을 증대시키기 위해 chloroform에 분산된 PLA와 무기물 powder의 혼합 방법을 개발하여 복합소재의 기계적, 물리적 특성과 혼합비를 개선
◦ 유연전자소자의 응용을 위하여 유기 고분자 입자를 분쇄하고 액상금속과 혼합하여 신규 유연 금속파우더 소재와 유연배선 공정을 개발
◦ 자유롭게 인장변형 가능한 배선을 제조하여 신축성 평가(50% 신축, 100회 반복) 이후에도 액상금속이 인장 및 형태변형 때문에 안정적으로 사용이 가능함
◦ UV 경화 소재 기반의 폴리머 절연소재의 3D 프린팅 공정에서, UV 파워와 스페이싱 간격에 따른 광조형물 표면 거칠기를 최적화한 결과 0.3um의 표면 거칠기를 얻음
(2) 다종소재 3D 프린팅 시스템 개발
◦ 플라스틱과 금속을 동시에 프린팅 할 수 있는 다종소재 3D 프린팅 시스템을 설계하여 제작함
◦ 다종소재 3D 프린팅 시스템은 전자소자의 기판이 되는 플라스틱 부분을 제작할 수 있는 FDM 기술을 이용한 디스펜서가 장착되어 있고, 전자소자의 배선이 되는 금속을 프린팅 할 수 있는 스크류 방식 또는 피스톤 방식의 디스펜서가 장착되어 있음
◦ 다종의 소재를 프린팅 할 수 있도록 4개의 프린팅 디스펜서를 장착하고 있으며, 시스템을 구동 및 프린팅 경로를 생성시키기 위한 SW도 자체 개발함
◦ 개발된 복합금속소재와 Ag Paste를 이용하여 플라스틱과 유리 위에 프린팅 한 결과 최소 선폭 150um 이하의 프린팅 공정을 확보함
◦ 이를 바탕으로 폴리머 기판 위에 금속 배선을 프린팅하여 다층 구조의 전자소자를 제작할 수 있는 공정을 확보함
(3) 3D 프린팅 전자소자 제작
◦ 3D 프린팅 전자소자의 CAD 설계를 위해, 2차원 ECAD 회로배선을 ‘OrCAD, Allegro, AutoCAD, CREO, CURA 프로그램’ 순서로 간섭부 제거 및 경로 단축하는 과정을 거치면서 변환하여 3차원 MCAD를 설계함
◦ 이를 바탕으로 ECAD-MCAD 변환된 설계 도면을 근거로 자동차 키 모양의 flashlight 3D 프린팅 PCB를 제작 및 평가
◦ 다층 프린팅 공정을 기반으로 5층으로 구성된 전자소자를 제작하였고, 비구면 프린팅 기술을 이용하여 알루미늄 또는 아크릴 몰드 위에 발열선을 제작하고 평가함
제3장 연구 성과 및 기대효과
4. 기대효과
◦ 3D 프린팅은 4차 산업혁명의 제조업 분야의 한축을 담당하고 있으며 특히 금속 3D 프린팅은 2012년 이후 3D 프린팅 시장의 성장을 주도하고 있음
◦ 2018년 국방예산 중에서 장비 유지비가 3조 269억으로 극한 환경에서 사용되는 만큼 파손이 많으며 국방이라는 특성상 빠른 보수가 요구되는 분야로 DED 프린터를 활용한 개보수에 적합한 시장임. 정비창과 공동으로 DED 프린터를 활용한 국방부품 개보수 사업 모색
◦ 미국의 GE사는 항공 산업에 PBF 프린터를 활용하여 부품수를 획기적으로 줄인 일체형 부품 개발을 공식화하고 프로젝트를 진행하고 있으며 국내에서도 이에 대응하기위해 무인기와 발사체를 중심으로 비슷한 시도가 진행되고 있음
◦ 본 연구단에서 개발한 대면적 대응 PBF 프린터는 기존 프린터에 비해 프린팅 영역이 넓어 항공 분야에 적합한 프린터로 활용도가 높을 것으로 예상
◦ 고령화에 따라 임플란트 시장이 급격하게 확장되고 있으며 본 연구단에서는 사업기간 중 두개골에 관한 실제 임상에 적용한 사례를 가지고 있으며 가장 큰 시장을 가지고 있는 무릎 관절에 대한 연구진행 하였고 기술이전 실적 있음
◦ ME 방식의 프린터는 MID(Molded Interconnect Device)라는 아직 상용화되지 않은 부품에 적합한 방식으로 개인 맞춤형 보청기와 같이 가까운 미래에 적용한 가능한 기술로 확장성이 높은 기술 분야임
(출처 : 요약서 4p)
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