Advanced Science 저널 2023년 2월호 표지논문. (사진=창원대 제공)

창원대학교(총장 이호영)는 기계공학부 스마트제조융합전공 조영태 교수(교신저자)와 김석 교수, 한국기계연구원 조대원 박사, 한국재료연구원 김찬규 박사, 서강명 박사, 송상우 박사 연구팀이 아크 플라즈마 열원을 사용하는 금속 3D 프린팅 기술에서 메탈의 용융부피와 응고시간을 제어하는 원천기술을 개발해 3차원 공간상에서 금속을 자유롭게 연속적으로 프린팅할 수 있는 신개념 금속 3D 프린팅 펜 공정 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 이 연구에 관한 논문은 세계적인 학술지인 Advanced Science(IF 17.521) 2023년 2월호 표지논문으로 선정·게재됐다.

창원대 메카트로닉스대학 기계공학부 조영태, 김석 교수 연구팀과 한국재료연구원 재료안전평가본부 접합기술연구실의 송상우, 김찬규, 서강명 박사 연구팀, 한국기계연구원 부산기계기술연구센터 조대원 박사 연구팀이 공동 진행한 이번 연구는 금속 3D 프린팅 펜을 3차원 공간상에서 서포트(Support)와 포지셔너(Positioner) 없이 용접토치가 움직이는 방향으로 금속을 자유롭고 연속적이게 적층제조할 수 있는 장점을 가진다. 레이저를 사용하는 3D 프린팅 기술에 비해 장비 구축 비용이 저렴하고 상용화된 금속 와이어를 높은 용착량으로 적층제조 할 수 있어 경제성을 확보했다.

창원대·재료연·기계연 공동연구진은 액체 상태의 일정한 표면 장력을 가지는 응용 금속의 부피량과 대류, 전도에 의해 용융 금속이 응고되는 부피량을 제어함으로써 수직, 경사, 수평, 오버헤드 등 모든 자세에서 금속 적층제조가 가능한 기술을 개발했다.

기존의 Wire arc additive manufacturing(WAAM) 공정과 달리 냉각 시간이 없는 연속 적층제조 공정으로써 층간 경계면이 없으며, 지속적인 입열량으로 인해 조밀한 미세조직을 형성함으로써 우수한 기계적 물성을 가지는 특징이 있다. 이 기술은 금속 3D 프린팅 펜 기술은 기계제조산업, 예술 및 조형 분야에 활용할 수 있다고 연구진은 설명했다.

또한 기존 아크 플라즈마기반의 금속 3D 프린팅 기술은 높은 입열량과 2차원 평면 적층방식으로 인해 생산성이 낮고 적층제조가 가능한 형상의 한계를 가졌으나, 이번 연구를 통해 금속 적층제조의 공정 자유도를 확대하고 냉각시간을 적용하지 않아 제조산업의 새로운 방향을 제시했다는 측면에서 의미가 크다고 평가된다.

이번 연구는 한국연구재단 지역혁신선도연구센터 사업인 '극한환경 스마트기계부품 설계/제조혁신센터사업', 한국연구재단 우수신진연구 '다양한 물질의 부착 및 전달 제어를 위한 생체모방 다중스케일 스마트 표현' 개발 과제의 지원을 받아 수행됐으며, 조영태 교수는 창원대 스마트제조융합전공 학과장 및 BK21 교육연구단장을 맡아 스마트제조 분야에서 활발한 기술개발과 인력양성에 힘쓰고 있다.