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[ 특 집 : 3D 프린팅과 소재 ]

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기계와재료

3D 프린팅 기술과 격자 구조체

최근 일반 소비자층을 겨냥한 데스크탑형 3D 프린터의 급속한 판매성장이 이루어지

고 있는 가운데, 기계, 항공, 자동차, 가전, 의료 등 금속제품 제조 산업의 새로운 패러

다임으로 산업용 금속 3D 프린팅에 대한 관심이 증가하고 있다. 유럽과 미국을 중심

으로 한 금속 3D 프린팅 관련 산업체 및 연구기관에서는 설계자유도, 기능성부여, 맞

춤형제작, 리드타임감소 등의 장점을 극대화함과 동시에 모듈화를 통한 제조공정시간

및 비용 단축, 품질향상을 위한 적층가공방법의 개발, 맞춤형 저비용 소재개발 등 현

재 기술의 단점을 보완하기 위한 다양한 측면에서의 연구개발이 활발하게 진행되고

있다. 본 고에서는 3D 프린팅 기술의 장점을 극대화할 수 있는 응용분야로 기대되고

있는 3차원 격자 구조체의 기술개발 동향을 살펴보고자 한다. 격자 구조체는 경량성,

에너지흡수능, 열관리능을 갖는 다기능성 소재로 미래 잠재적인 수요가 기대되고 있

으나, 형상의 복잡성으로 인해 설계 및 제작에 많은 제약이 있었다. 3D 프린팅 기술과

격자 구조체 기술은 상호 단점을 보완하고, 장점을 극대화할 수 있는 최적의 제조공정

과 제품으로 금속용 산업부품의 새로운 패러다임을 이끌어나갈 수 있을 것으로 판단

된다.

김상우, 유지훈│재료연구소

1. 서 론

자연에는 동물의 뼈, 나무줄기 및 잎, 산호, 벌집 등 다양한 형태의 다공성 구조체가 존재하며, 인류는 코르크마개

를 비롯한 목제품과 같이 자연 그대로의 다공성 구조체를 가공하여 다양한 목적에 맞게 사용하거나, 자연의 다공구

조를 모방하여 인공적인 다공성 구조체를 제작하여 활용해 왔다.(그림1) 주변에서 가장 손쉽게 찾아볼 수 있는 다

공성 구조체로는 폴리머 기반의 폼(foam)과 금속기반의 허니컴(honeycomb) 및 트러스(truss) 구조이다. 폼은 액화

된 재료의 내부에 인위적인 기포를 생성시켜 다공구조를 형성함으로써 각종 포장용기를 비롯한 생활 및 산업제품

으로 활용되고 있으며, 금속 허니컴의 경우, 금속판재를 이용하여 접착-신장 성형하거나, 굽힘성형-접합을 통해 제

작하여 항공기, 건축용 자재 등 다양한 경량구조 및 충격흡수재료로 활용하고 있다.

인공적인 3차원 다공성 구조를 세분화하여 도식화하면 내부구조가 규칙적인 형상과 불규칙적인 형상으로

나눌 수 있으며, 각각의 구조는 개방형 구조와 폐쇄형 구조로 나뉜다.(그림2) 대표적인 불규칙적인 형상은 금

속 및 비금속 폼이나 스폰지 형태를 말하며, 규칙적인 형상은 트러스, 직조, 허니컴 등과 같이 특정형상의 단위

셀이 규칙적, 반복적으로 배열되어 있는 격자구조를 말한다. 특히, 격자구조는 불규칙적 다공구조나 체적소재

에 비해 비강도 및 비강성이 우수하여, 항공기, 자동차, 선박 등 수송기기류의 초경량 구조재료로서의 적용 뿐

만 아니라 외부의 충격하중을 내부구조가 흡수하는 충격에너지 흡수능이 우수하여 방탄·방폭 재료로서의 잠

재적인 가능성을 가지고 있다. 또한, 개방형태의 격자구조는 표면적이 넓고, 내부유동이 균일하여 전열특성이


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기계와재료 / 28권 제1호

우수함에 따라 열교환기, 히트싱크 등 다양한 열에너지 관리 장치에 활용이 가능한 이점이 있다. 상기와 같은

격자구조체의 경량성, 에너지흡수능, 전열특성은 복합적으로 적용 가능하여 경량구조체이면서 에너지흡수체,

구조체이면서 열관리장치 등의 다기능성을 보일 수 있어 향후, 다양한 미래 산업용 소재부품으로의 잠재성을

지니고 있다.(그림3)

그림 1. 자연의 다공 구조소재 (a) cork (b) balsa (C) sponge (d)cancellous bone (e) coral (f) cuttlefish (g) iris leaf (h) stalk of a plant [1]

그림 2. 다공성 구조의 분류


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기계와재료

2. 복합공정에 의한 격자구조체 제조기술

상기에서 언급한 격자구조체의 다양한 이점에도 불구하고, 미국, 영국 등 일부 기술선진국에서조차 방위산업분

야를 제외한, 민간분야에서 산업화가 이루어지지 않고 있는 가장 큰 원인으로는 복잡한 내부형상으로 인한 제조공

정비용의 증가 및 현 제조공정의 한계로 인한 설계형상의 제약이다. 기존의 규칙적 다공성 구조체의 제작방법으로

는 크게 인베스트먼트 주조, 직조 및 접합, 프레스성형 및 접합공정으로 나눌 수 있다.(그림4) 주조공정은 별다른 접

합공정없이 일체형으로 제작 가능한 이점이 있으나, 공정비용이 비싸고, 주조결함으로 인해 최소 제작가능한 단위

셀 크기에 한계가 있어 일반적으로 상대밀도 5%이내의 구조물 제작이 불가능한 것으로 알려져 있다. 직조공정은 선

재를 이용한 방법으로 선재에 비틀림 변형을 부여하고 전용 직조 장비를 통해 3차원으로 배열한 뒤 브레이징 공정

을 통해 접합함으로써 카고메 형상의 3차원 다공구조를 제작하는 방법으로 널리 알려져 있다. 프레스 성형공정은

주로 트러스 심재의 샌드위치 판재를 제작하기 위한 방법으로 판재를 이용하여 임의형상으로 천공하여 2차원 예비

성형체를 제작하고, 굽힘성형 혹은 신장성형을 통해 3차원 구조를 형상하고, 각각 제작된 단일 레이어를 겹겹이 적

층하여, 용접, 브레이징, 접착제 등 다양한 접합방법을 통해 3차원 격자구조체를 제작하는 방법이다. 재료연구소에

서는 각각의 단위셀의 높이에 단차를 부여할 수 있는 신장성형방법을 개발하여, 특정형상이 부여된 샌드위치 판구

조물을 제작할 수 있는 방법을 제안하였으며, 이를 활용하여 격자구조 심재를 갖는 블레이드 제작 기술을 개발하였

다. 향후, 수직형 소형풍력발전기용 블레이드에 적용하기 위한 기술개발이 진행 중이다. 그림 5 및 그림 6은 재료연

구소에서 제작된 3차원 트러스 격자 구조체 및 NACA0015 익형단면으로 제작된 격자구조 블레이드 심재를 보여주

고 있다.

그림 3. 격자 구조체의 응용


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3. 3D 프린팅에 의한 격자구조체 기술

주조, 직조, 소성가공, 절삭가공, 접합 등 기존 제조방법에 의한 3차원 다공구조 제조방법은 설계자유도에 많은 제

약이 따른다. 이에 반해 최근 3차 제조혁명으로 불리는 3D프린팅 기술은 형상자유도가 우수하여 설계자의 다양한

요구를 수용할 수 있는 제조방법으로, 의료, 항공, 전자 산업 등 전방산업에 적용하기 위한 노력이 진행 중에 있다.

그림 5. ‘신장성형-브레이징’에 의한 단층/다층 격자 구조체 (재료연구소)

그림 6. 신장성형에 의한 격자구조 NACA0015 익형 (재료연구소)

그림 4. 격자 구조체 제조 방법[2-3]

<Investment casting> <Press bending> <Wire weaving>


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기계와재료

특히, SLM(Selective Laser Melting), EBM(Electron Beam Melting) 등 금속분말을 사용하는 3D프린팅 기술은 전세계

적으로 정부차원에서의 관련 산업의 활성화를 위해 연구개발이 활발히 진행되고 있으나, 기존 제품의 생산공정을

대체하기에는 비용, 효율, 품질 경쟁력 등 해결해야 될 당면과제가 남아 있다. 본고에서는 다기능성의 이점에도 불

구하고, 복잡한 형상 또는 경제성 문제로 인해 제품화가 이루어지지 못했던 3차원 격자구조체의 3D프린팅 공정 적

용에 대한 기술동향을 살펴보고자 한다.

3.1 트러스 구조체 (Truss structures)

격자구조를 구성하는 최소 형상단위인 단위셀은 주로 3차원 배열이 용이한 대칭형상의 정다면체 구조나 트러스

구조를 기본으로 하여 요구특성에 맞게 구조를 재설계하여 사용된다.(그림7) 수mm이내의 단위셀 형상을 정밀하게

구현하기 위해서는 금속 분말을 한층씩 도포하고 레이져 혹은 전자빔 등의 열원을 이용하여 선택적으로 가열하는

PBF(Power Bed Fusion) 방식의 SLS, SLM, EBM 장비가 주로 사용된다.(그림8) 금속 다공성 구조체의 경우, 단위셀

의 형상이 복잡하고 미세하므로 분말소재의 종류 및 크기에 따른 열원의 출력, 레이어 두께, 스캐닝 속도 및 방향 등

의 공정변수뿐만 아니라 최소 제작 가능한 요소의 두께, 단면형상, 오버행, 적층각도 등 형상과 관련된 설계인자에

대한 복합적인 검토가 요구된다.

그림 8. 금속 3D 프린터로 제작된 격자구조체[5-12]

그림 7. 격자구조 단위셀의 주요 형상[4]


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격자구조체의 구조적 특성을 평가하기 위해서는 단위셀의 개수에 따른 특성이 사라지는 최소한의 단위셀 개수

이상으로 구성된 대표체적요소(Representative volume element) 시험편을 제작하여 방향별 압축/인장, 전단, 인장, 굽

힙, 자유낙하/고속충격 등의 평가를 수행한다. 대표체적요소의 다양한 하중조건하에서의 기계적 특성은 격자구조

체의 특성을 대표하는 등가물성으로 활용되어 전체 구조물의 설계 및 해석에 활용될 수 있다.

3.2 오그제틱 구조체 (Auxetic structures)

변형전후 체적이 일정한 일반적인 재료의 경우, 양의 프와송비(Poisson’s ratio)를 갖는다. 즉, 그림 10에서와 같이

수직방향으로 인장될 경우, 체적이 일정하므로 수평방향으로는 수축하게 된다. 그러나, 내부구조를 적절히 설계한

격자구조의 경우 인장시 팽창하고, 압축시 수축함으로써 음의 프와송비를 갖는데 이러한 특성을 갖는 구조를 오그

제틱 구조체라고 한다.(그림11) 오그제틱 특성은 다양한 응용분야에서 장점으로 활용될 수 있는데, 압축부위의 밀

도증가로 인해 국부적인 강화효과를 나타낼 수 있음에 따라 방탄·방폭 구조물, 자동차 범퍼, 헬멧 등 충격에너지를

효과적으로 흡수할 수 있는 구조재로 활용가능하다. 또한, 인장과 압축변형에 의해 내·외부공간이 변하는 특징을

응용하여 세척이 용이한 필터, 패스너, 흡음재 등 스마트 기능소재로 활용가능하며, 3차원 곡면형상으로의 변형이

용이함에 따라 곡면동체, 윙패널, 노우즈-콘 등 항공우주 부품으로 활용가능하다. 다양한 장점을 가진 오그제틱 구

조체는 내부구조가 매우 복잡하여 폴리머 소재에 국한하여 적용되어 왔으나, 최근 금속 3D 프린팅의 기술적 진보와

함께 금속을 이용한 오그제틱 구조체의 적용을 위한 많은 연구가 시도되고 있다. 현재 단위셀 형상, 조형조건, 방향

및 소재에 따른 기계적 특성분석을 위한 기초연구가 진행되고 있으며 향후 항공, 바이오, 자동차 등 다양한 산업분

야에서 오그제틱 구조를 활용한 격자 구조체 제조를 위한 3D 프린팅 기술이 가속화 될 것으로 판단된다.

그림 9. SLM공정으로 제작된 피라미드 트러스 구조체 및 압축특성평가 (재료연구소)


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기계와재료

그림 10. 오그제틱(Auxetic) 특성

그림 11. 오그제틱 특성의 단위셀 형상 및 유한요소해석 예

그림 12. SLM으로 제작된 오그제틱 구조체 및 압축특성평가 (재료연구소)


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3.3 3D 프린팅 격자 구조체의 응용

3D 프린팅에 의해 자유로운 형상설계가 가능해짐에 따라 산업용 금속제품의 설계 개념이 변화될 것으로 예측된

다. Airbus, Boeing 등 항공기 제작사에서는 위상최적기법을 적용한 최적설계기반의 3D프린팅 부품을 적용한 사례

를 발표하고 있으며, 향후, 자동차를 비롯한 일반 제조업 분야에서도 확대되어 적용될 것으로 전망된다. 3D프린팅

에 의한 격자 구조체는 기계적 특성뿐만 아니라 열적, 생물학적 맞춤형 설계가 가능함에 따라 솔리드형상 기반의 기

존 부품설계의 개념을 탈피하고 격자구조 기반의 신개념 설계기법에 대한 개발이 요구된다. 격자 구조체는 항공기

날개와 같은 유연구조물 및 자동차 섀시등의 내부 보강재로 적용가능하며, 응력분포, 강도, 제작용이성 등을 복합적

으로 고려하여 단위셀의 소재, 형상, 크기, 방향을 설계하여야 한다.

의료용 임플란트의 경우, 인체적합성, 내부식성이 우수한 코발트합금(CoCrMo), 타이타늄합금(Ti6Al4V) 소재가

주로 사용되고 있으나, 솔리드 형태의 임플란트는 탄성계수가 210GPa, 110GPa로 인체의 뼈(피질골 3-30GPa, 해면

골 0.02-2MPa)와의 강성차이가 매우 커 결합부위는 부하의 전달을 차단하게 됨으로써 파손 등의 문제를 야기할 수

있다. 따라서, 응력차단을 제거하기 위한 가장 효율적인 방법으로 금속 임플란트 내부에 기공을 형성시켜 인체뼈와

의 상대적인 강성 차이를 최소화하고 있는데, 격자구조로 구성된 임플란트가 유용하게 사용되고 있다. 또한, 임플란

트 표면을 격자구조로 형성시킴으로써 인체와의 결합을 견고히 하기 위한 용도로 사용하고 있다.

그림 13. 위상최적설계에 의한 3D프린팅 Airbus사의 항공기부품[12]

그림 14. 3D 프린팅 격자구조 블레이드(재료연구소) 및 하중분포를 고려한 격자구조빔[12]

그림 15. 의료용 임플란트의 격자구조체 적용 예[12]


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기계와재료

4. 맺음말

3차원 격자구조는 모재 및 내부형상의 설계에 따라 사용목적에 최적화된 구조 및 기능 소재로 활용 가능한 이점

이 있어, 향후 다양한 산업분야에 잠재적인 적용가능성을 가지고 있다. 이러한 이점에도 불구하고 과거에는 복잡한

내부형상의 구현이 불가능하여 금속재료의 활용이 어려웠으나, 최근 형상자유도가 우수한 금속 3D 프린팅 기술의

발전과 함께 다양한 형상의 3차원 격자구조를 금속소재로 제작 가능하게 되었다. 3D 프린팅 격자구조기술은 자동

차, 항공, 조선, 전자, 건축, 에너지 플랜트 등 금속부품 제조 산업 분야에서 부품설계와 제조방법의 패러다임을 전환

할 수 있는 계기가 될 것으로 전망된다.

✣ 참고문헌

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김 상 우

• 재료연구소 실용화연구단 소재성형연구실 선임 연구원

• 관심분야 : 초경량 격자구조체 설계/해석/평가 기술, 3D프린팅을 이용한 격자구조체 제조기술, 초음파 진동응용 소성가공공정 설계 및 해석

• E-mail : [email protected]

유 지 훈

• 재료연구소 분말세라믹연구본부 분말기술연구실 책임연구원

• 관심분야 : 극미세 분말 제조 및 응용, 3D프린팅용 금속분말의 제조 및 조형공정, 자성분말소재의 제조 및 응용

• E-mail : [email protected]

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