우리 모두 해변에서 모래성을 쌓아본 경험이 있을 거예요. 웅장한 벽, 위풍당당한 탑, 상어가 가득한 해자까지. 저와 같은 사람이라면, 물이 조금만 있어도 모래가 얼마나 잘 뭉쳐지는지 놀랄 거예요. 물론, 형이나 누나가 나타나서 신나게 모래성을 부숴버리기 전까지는 말이죠.
사업가 댄 겔바트 역시 물을 이용해 재료를 접착하는데, 그의 디자인은 주말 해변에서나 볼 수 있는 장난감보다 훨씬 내구성이 뛰어납니다.
캐나다 브리티시컬럼비아주 밴쿠버와 일리노이주 리버티빌에 위치한 금속 3D 프린팅 시스템 공급업체인 라피디아 테크(Rapida Tech Inc.)의 사장 겸 창립자인 겔바트는 기존 기술에 내재된 시간 소모적인 단계를 없애고 서포트 제거를 크게 간소화하는 부품 제조 방법을 개발했습니다.
또한, 이 기술 덕분에 여러 부품을 접합하는 작업이 마치 물에 살짝 담갔다가 붙이는 것처럼 간단해졌습니다. 심지어 기존 제조 방식으로 만들어진 부품에도 적용할 수 있습니다.
겔바트는 자신의 수성 시스템과 왁스 및 폴리머(부피 기준)가 20~30% 함유된 금속 분말을 사용하는 시스템 간의 근본적인 차이점에 대해 논의합니다. 라피디아(Rapidia) 양방향 금속 3D 프린터는 금속 분말, 물, 그리고 레진 바인더를 0.3~0.4%의 비율로 혼합하여 페이스트를 생성합니다.
그는 이러한 이유로 경쟁 기술에서 요구되는, 종종 며칠씩 걸리는 탈지 공정이 생략되어 부품을 바로 소결로로 보낼 수 있다고 설명했습니다.
겔바트는 "다른 공정들은 대부분 '오랜 역사를 가진 사출 성형(MIM) 산업'에 속하는데, 이 산업에서는 소결되지 않은 부품이 금형에서 쉽게 분리되도록 비교적 높은 비율의 폴리머를 함유해야 합니다."라고 말했습니다. "하지만 3D 프린팅용 부품을 접착하는 데 필요한 폴리머의 양은 실제로 매우 적습니다. 대부분의 경우 0.1%면 충분합니다."
그렇다면 왜 물을 사용해야 할까요? 모래성을 만들 때 사용하는 반죽(이 경우에는 금속 반죽)의 예처럼, 폴리머는 건조되는 동안 조각들을 서로 결합시켜 줍니다. 그 결과, 길거리 분필과 같은 질감과 경도를 지닌 부품이 만들어지는데, 이는 조립 후 가공, 정밀 가공(겔바트는 소결 후 가공을 권장하지만), 다른 미완성 부품과의 물 사용 조립, 그리고 오븐 소성까지 견딜 수 있을 만큼 충분히 강합니다.
탈지 공정을 생략하면 금속 분말을 폴리머에 함침시켜 사용할 경우 부품 벽이 너무 두꺼워도 폴리머가 "타버리지" 않기 때문에 더 크고 두꺼운 부품을 출력할 수 있습니다.
겔바트는 한 장비 제조업체가 벽 두께를 6mm 이하로 요구했다고 말했습니다. "컴퓨터 마우스 크기 정도의 부품을 만든다고 가정해 봅시다. 이 경우 내부는 비어 있거나 메쉬 구조여야 합니다. 이는 경량화를 목표로 하는 많은 용도에 적합합니다. 하지만 볼트나 기타 고강도 부품처럼 물리적 강도가 요구되는 경우에는 금속 분말 사출 성형(MIM)은 일반적으로 적합하지 않습니다."
새로 출력된 매니폴드 사진은 라피디아 프린터가 출력할 수 있는 복잡한 내부 구조를 보여줍니다.
겔바트는 프린터의 다른 몇 가지 특징도 언급합니다. 금속 페이스트가 들어 있는 카트리지는 리필이 가능하며, 리필을 위해 카트리지를 라피디아로 반납하는 사용자는 사용하지 않은 재료에 대해 포인트를 받게 됩니다.
316 및 17-4PH 스테인리스강, 인코넬 625, 세라믹 및 지르코니아를 비롯하여 구리, 텅스텐 카바이드 등 다양한 소재를 사용할 수 있으며, 그 외에도 개발 중인 여러 소재가 있습니다. 많은 금속 프린터의 핵심 요소인 서포트 소재는 손으로 제거하거나 "증발"시킬 수 있는 기판을 출력하도록 설계되어, 기존 방식으로는 재현이 불가능했던 내부 구조 구현을 가능하게 합니다.
라피디아는 설립된 지 4년이 되었으며, 솔직히 말해서 이제 막 시작 단계입니다. 겔바트는 "회사는 문제를 해결하는 데 시간을 들이고 있습니다."라고 말했습니다.
현재까지 그와 그의 팀은 브리티시컬럼비아주 셀커크 기술 접근 ​​센터(STAC)에 설치된 시스템을 포함하여 총 5개의 시스템을 구축했습니다. 연구원 제이슨 테일러는 1월 말부터 이 장비를 사용해 왔으며, 기존 STAC 3D 프린터보다 많은 장점을 확인했습니다.
그는 소결 전에 원료 부품을 "물로 접착"하는 기술이 큰 잠재력을 가지고 있다고 언급했습니다. 또한 탈지 과정, 특히 화학 물질의 사용 및 폐기와 관련된 문제에 대해서도 해박한 지식을 가지고 있습니다. 기밀 유지 계약 때문에 테일러는 자신의 연구에 대한 자세한 내용을 모두 공개할 수는 없지만, 그의 첫 번째 시험 프로젝트는 우리 대부분이 떠올릴 수 있는 것, 즉 3D 프린터로 만든 막대기입니다.
"완벽하게 잘 됐습니다." 그가 미소를 지으며 말했다. "표면 가공을 마치고, 축을 위한 구멍을 뚫었고, 지금 사용하고 있습니다. 새로운 시스템으로 작업한 결과물의 품질에 매우 만족합니다. 모든 소결 부품이 그렇듯 수축과 약간의 정렬 불량이 있지만, 기계는 충분히 제 역할을 해냅니다. 설계 단계에서 이러한 문제들을 보정할 수 있습니다."
Additive Report는 실제 생산에서 적층 제조 기술의 활용에 초점을 맞춥니다. 오늘날 제조업체들은 3D 프린팅을 사용하여 공구와 고정 장치를 제작하고 있으며, 일부는 적층 제조 기술을 대량 생산에까지 활용하고 있습니다. 이 보고서에서는 그들의 사례를 소개합니다.