산업용 카바이드 3D 프린팅: 더 강하고, 더 빠르게, 더 친환경적으로

우리 세계를 구축하는 도구들은 종종 눈에 보이지 않지만, 현대 문명의 조용한 중추 역할을 합니다. 도시 인프라를 새기는 고정밀 드릴부터 차량 부품을 형성하는 절삭날까지, 그 내구성의 비밀은 텅스텐 카바이드-코발트라는 물질에 있습니다. 이 결합 카바이드는 인간이 알고 있는 가장 단단한 물질 중 하나로, 경도 척도에서 다이아몬드 바로 아래에 위치합니다. 그러나 그 필수적인 강도는 제조를 매우 어렵고 낭비가 많게 만드는 원인이 되기도 합니다.

히로시마 대학이 미쓰비시 머티리얼즈 하드메탈 코퍼레이션과 협력하여 수행한 연구¹가 최근 새로운 길을 제시했습니다. 적층 제조, 즉 3D 프린팅과 특수한 핫와이어 레이저 방식을 결합함으로써, 연구진은 전통적인 방법으로 만든 부품과 동일한 강도를 유지하면서도 폐기물을 크게 줄인 산업용 부품을 제작하는 방법을 발견했습니다. 이 발전은 공장 현장의 승리일 뿐만 아니라, 고성능 소재가 접근 가능하고 지속 가능하며 맞춤형으로 제공되는 미래를 엿볼 수 있게 합니다.

텅스텐 카바이드를 3D 프린팅하기 어려운 이유

전통적으로 텅스텐 카바이드-코발트 부품을 만드는 과정은 고된 비용이 많이 드는 공정입니다. 이는 금속 분말을 엄청난 압력으로 압축한 뒤, 고온의 용광로에서 결합시키는 소결 공정에 의존합니다. 이 과정은 매우 단단한 공구를 생산하지만, 경직된 공정이기도 합니다. 복잡하거나 큰 형태를 만드는 것이 어렵고, 값비싼 원료인 텅스텐과 코발트가 많이 낭비됩니다.

이 원료들의 높은 비용은 큰 장벽이 됩니다. 텅스텐은 희귀하고 비싸며, 코발트는 공급망 변동성이 큰 중요한 광물입니다. 지속 가능성과 자원 효율성이 중요한 시대에, 물질 블록을 시작으로 필요 없는 부분을 절삭하는 전통적인 감산 제조 방식은 점점 구시대적인 것으로 인식되고 있습니다.

핫와이어 레이저 방식이 텅스텐 카바이드 3D 프린팅을 가능하게 하는 방법

히로시마 대학 팀의 혁신은 금속 3D 프린팅에 대한 사고 방식을 미묘하지만 근본적으로 전환시켰습니다. 대부분의 금속 3D 프린터는 고에너지 레이저로 금속 분말이나 와이어를 완전히 녹이는 방식으로 작동합니다. 그러나 텅스텐 카바이드를 이 방식으로 시도하면, 극한의 열 때문에 물질이 W2C와 흑연으로 분해되어 작은 구멍, 균열, 그리고 그 가치를 지키는 경도가 손실됩니다.

재료의 특성을 억제하려 애쓰는 대신, 연구진은 핫와이어 레이저 방식을 사용했습니다. 이 설정에서는 결합 카바이드 막대가 전류에 의해 녹는점에 가까울 정도로 미리 가열된 뒤 레이저가 추가 열을 제공해 재료를 부드럽게 만들어 층층이 적층할 수 있게 합니다.

재료를 완전히 녹이는 대신 부드럽게 함으로써, 팀은 텅스텐 카바이드의 섬세한 미세구조를 보존할 수 있었습니다. 코발트 결합제의 녹는점 위이면서 텅스텐 카바이드가 분해되기 전의 온도를 유지하면, 1400 HV 이상의 경도를 가진 결함 없는 고체 객체를 생산할 수 있음을 확인했습니다—전통적인 산업용 공구와 동등한 품질입니다.

WC-Co 카바이드의 적층 제조 결함 해결

연구에서 가장 영리한 부분 중 하나는 초경질 카바이드와 인쇄되는 기판 재료 사이의 상호 작용을 처리한 방식입니다. 표준 철 기판 위에 직접 인쇄하려 하면, 철이 카바이드를 침투해 강도를 희석시키는 경우가 많았습니다.

해결책은 니켈 기반 합금으로 만든 중간층을 도입하는 것이었습니다. 이 층은 완충 역할을 하여 기판 재료가 카바이드를 오염시키는 것을 방지하고 최종 제품이 순수하고 강하게 유지되도록 합니다. 이러한 다중 재료 접근 방식은 3D 프린팅의 핵심 트렌드로, 고가의 고성능 재료를 실제로 필요한 부위—예를 들어 공구의 절삭날—에만 사용하고 나머지 몸체는 저렴한 재료로 구성할 수 있게 합니다.

텅스텐 카바이드 3D 프린팅이 제조업을 혁신할 수 있는 이유

이 기술의 잠재력은 실험실을 훨씬 넘어섭니다. 이러한 방법이 더 복잡한 형태를 다루고 균열 문제를 완전히 해결하도록 정교화되면, 우리 세계에 미치는 영향은 방대합니다.

• 주문형 산업 회복력: 원격 광산 현장이나 건설 현장이 중앙 창고에서 부품을 배송받기 위해 몇 주를 기다려야 하는 상황을 상상해 보세요. 첨단 3D 프린팅을 통해 중요한 초경질 부품을 현장에서 바로 필요할 때 제조할 수 있습니다.
• 지속 가능성 및 자원 안보: 특정 부품에 필요한 정확한 양의 텅스텐과 코발트만 사용함으로써 채굴 의존도를 크게 줄이고 산업 폐기물을 최소화할 수 있습니다. 이는 자원을 최대 효율로 활용하는 순환 경제로 나아가는 중요한 단계입니다.
• 차세대 설계: 전통적인 제조는 우리가 만들 수 있는 것을 제한합니다. 3D 프린팅은 이러한 제약을 없애 내부 냉각 채널, 복잡한 형상, 최적화된 무게 등을 가진 공구를 제작할 수 있게 합니다. 이는 더 효율적인 기계, 가벼운 차량, 그리고 더 내구성 있는 인프라로 이어집니다.

산업용 3D 프린팅 및 첨단 소재에 대한 투자

산업 부문이 보다 스마트하고 효율적인 생산으로 이동함에 따라, 이 전환을 위한 하드웨어와 소재를 제공하는 기업들은 상당한 성장 잠재력을 가지고 있습니다. 금속 3D 프린팅과 고성능 소재 분야의 발전에 투자하려는 투자자들에게는 한 기업이 이 분야의 주요 플레이어로 부각됩니다.

스포트라이트: Nano Dimension (NNDM )

많은 3D 프린팅 기업이 소비자용 플라스틱이나 단순 금속에 집중하는 반면, Nano Dimension은 고성능 산업 시장에서 선두주자로 자리매김했습니다. 이 회사는 최근 Desktop Metal 인수 를 통해 전략적 전환을 이루었습니다. Desktop Metal은 금속 바인더 제팅 및 첨단 소재 증착 분야의 선구자입니다.

이 인수로 Nano Dimension은 산업용 적층 제조를 위한 종합 제공업체로 변모했습니다. Desktop Metal의 기술은 이미 연구자와 제조업체가 히로시마 대학 연구에서 강조된 결합 카바이드 응용을 탐구하는 데 사용되고 있습니다. 전자 3D 프린팅 전문성과 Desktop Metal의 견고한 금속 플랫폼을 결합함으로써, Nano Dimension은 빠른 프로토타이핑부터 대량 생산까지 모두 포괄하는 풀스택 솔루션을 구축하고 있습니다.

재무적으로도 회사는 눈에 띄는 성장을 보였으며, 최근 보고서에 따르면 매출이 전년 대비 81% 증가했습니다. 산업이 아직 고성장·고투자 단계에 머물러 있는 가운데, Nano Dimension의 방대한 특허 포트폴리오와 항공우주, 자동차, 방위와 같은 핵심 분야에 대한 집중은 제조 미래에 투자하려는 이들에게 매력적인 선택이 됩니다. 소프트 멜팅 핫와이어 방식과 같은 기술이 실험실에서 생산 라인으로 이동함에 따라, 이러한 고급 프로세스를 지원할 인프라를 갖춘 기업이 주목받을 것입니다.

최신 Nano Dimension (NNDM) 주식 뉴스 및 개발 현황

참고문헌:

^{1. Marumoto, K., Abe, T., Nagamori, K., Ichikawa, H., Nishiyama, A., & Yamamoto, M. (2026). Effect of the hot-wire laser irradiation method and a Ni-based alloy middle layer on mechanical properties and microstructure in additive manufacturing of WC-Co cemented carbide. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 136, Article 107624. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2025.107624}