NIST가 레이저 경로를 재작성하여 3D 프린터로 용융 금속을 혼합하는 기술 시연

미국 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST)는 레이저를 직선 대신 루프 형태의 타원형 경로로 보내 인쇄 과정 중 용융 금속을 휘젓는 금속 3D 프린팅 방법을 시연했습니다. 이 기술 변경에는 새로운 하드웨어가 필요하지 않아 현재 사용 중인 장비들로도 혼합이 어려운 합금들을 배합할 수 있게 합니다. Additive Manufacturing 저널에 발표된 이 연구는 Argonne 국립연구소의 Advanced Photon Source에서 검증되었는데, 이곳에서 팀은 RHEA-19라는 고밀도 고엔트로피 합금(high-entropy alloy)을 경량 티타늄 합금과 융합시켜 두 물질이 실시간으로 새로운 합금으로 결합하는 것을 관찰했습니다.

이 기술은 레이저 파우더 베드 융합(laser powder bed fusion)을 수정한 것으로, 이 방식에서는 레이저가 금속 분말의 얇은 층을 점별로 녹입니다. 일반적인 인쇄에서는 빔이 직선 경로를 추적하며, 각 짧은 용융 풀(melt pool)은 그 성분을 약간만 혼합합니다. 하지만 NIST 연구원인 Ho Yeung은 대신 레이저가 진행하면서 루프를 그리도록 프로그래밍하여, 액체 상태를 유지하는 동안 풀을 휘젓게 했습니다. 기존 프린터 펌웨어로는 이러한 공구 경로(toolpaths)를 생성할 수 없었기 때문에, 팀은 자체 제어 소프트웨어를 작성했습니다.

이 방법은 스캔 패턴만 변경하기 때문에, NIST는 공장 현장의 장비들이 소프트웨어 업데이트 후 이 기술을 실행할 수 있다고 말합니다. NIST 연구원인 Ho Yeung은 기관 발표에서

금속은 밀도, 녹는점, 표면 장력이 모두 다르기 때문에 주조물이 식으면서 약하고 얼룩덜룩한 영역으로 분리되는 경향이 있습니다. 고엔트로피 합금(High-entropy alloys)은 하나의 모재에 미량의 첨가물만 섞는 방식이 아니라 다섯 가지 이상의 금속을 대략 동등하게 혼합하기 때문에 특히 이러한 현상에 취약하며, 이것이 주조를 어렵게 만드는 이유입니다. 하지만 프린팅 과정 중 교반(stirring)을 하면 이 문제를 우회할 수 있습니다.

연구원들은 동일한 방법으로 기계에 원소 금속 분말을 공급하고, 각 조성별로 별도의 사전 합금화된 분말을 비축하는 대신 현장에서 완성된 합금으로 혼합할 수 있을 것으로 예상합니다. NIST는 또한 하나의 부품 전체에 걸쳐 조성을 점진적으로 변화시킬 수도 있다고 지적했습니다. 따라서 제트 터빈 블레이드는 결함이 발생할 수 있는 용접 이음매 없이 금속 간을 전환할 수 있습니다. 금속 프린팅은 합금이 극도의 온도에서 녹고 식으면서 상변화(phase changes)를 거치기 때문에 플라스틱을 프린팅하는 것보다 훨씬 더 까다롭습니다.

이 논문은 2월 25일 Additive Manufacturing 제118권에 처음 게재되었습니다. 별도로, NIST는 적층 제조 과정에서 결함을 억제하고 미세 구조를 유도하기 위해 연구 중인 제어 전략 중 타원형 스캔 패턴(elliptical scan patterns)을 나열했습니다.

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Luke James는 프리랜서 작가이자 기자입니다. 그의 배경은 법률 분야이지만, 기술 전반, 특히 하드웨어와 마이크로일렉트로닉스, 그리고 규제 관련 모든 것에 개인적인 관심을 가지고 있습니다.