적층 제조
레이저 파우더 베드 퓨전, 최신 돌파구로 더욱 매력적으로 변하다
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어떤 기술이 3D 프린팅을 지배할 것인가?
적층 제조라고도 하는 3D 프린팅이 첨단 제조에서 중요해지면서 공정 최적화의 필요성도 커지고 있습니다. 자동차 엔진, 로켓, 군사 장비처럼 높은 신뢰성이 요구되는 분야에서는 부품 하나의 결함이 큰 사고로 이어질 수 있기 때문입니다.
이러한 품질 개선은 산업이 현재의 통합 단계를 거쳐 더 많은 제조 분야로 확장하는 데 중요합니다. 다만 주조와 기계가공을 대체할 수 있는 범위는 부품과 생산 조건에 따라 달라집니다.
특히 정밀 제조에 사용되는 3D 프린팅 기술 중 하나가 바로 레이저 파우더 베드 퓨전입니다.
위스콘신대학교 매디슨과 아르곤 국립연구소 연구진은 고속 X선 영상으로 레이저 분말 베드 융합 공정을 분석하고 제조 결함을 줄이는 방법을 조사했습니다. 연구 결과는 국제 학술지에 「고속 X선 영상을 이용한 성형 빔 기반 레이저 분말 베드 융합의 공정 결함 완화 메커니즘 규명1」이라는 제목으로 발표되었습니다.
레이저 파우더 베드 퓨전
분말 베드 방식에서는 재료 분말을 얇게 펼친 뒤, 레이저로 부품이 형성될 영역을 선택적으로 가열해 결합합니다. 금속 레이저 분말 베드 융합에서는 분말을 녹여 치밀한 층을 만듭니다.
그 위에 새 분말층을 펼치고 필요한 부분을 다시 레이저로 녹입니다. 이 과정을 반복하면 복잡한 형상의 부품을 만들 수 있습니다. 제작 가능한 크기는 장비의 작업 공간과 공정 조건에 따라 달라집니다.
출처: ResearchGate
아래 동영상에서 레이저 파우더 베드 퓨전이 실제로 작동하는 모습을 확인할 수 있으며, 이 기술로 제작 가능한 예시들도 확인할 수 있습니다.
분말 베드 융합에는 고분자용 방식과 금속용 방식이 있습니다. 금속 레이저 분말 베드 융합은 티타늄, 강철, 코발트-크롬, 알루미늄 등 여러 금속의 부품 제작에 활용됩니다.
장점은 복잡한 형상을 정밀하게 제작할 수 있다는 것입니다. ±0.2mm 같은 공차는 장비, 재료, 부품 크기와 후처리에 따라 달라지므로 모든 조건에서 보장되는 값은 아닙니다. 사용하지 않은 분말은 품질 검사를 거쳐 재사용할 수 있어 재료 낭비를 줄일 수 있습니다.
대형 부품도 여러 레이저를 동시에 사용하는 고급 3D 프린터 설계 덕분에 빠르게 출력할 수 있습니다.
분말 베드 융합은 여러 세부 공정을 포함합니다. 다만 전자빔 방식은 레이저 방식과 구별해야 합니다.
- 선택적 레이저 용융(SLM)과 직접 금속 레이저 소결(DMLS): 금속 분말을 레이저로 녹여 부품을 만드는 공정에 사용되는 명칭입니다.
- 전자빔 용융(EBM): 레이저 대신 전자빔을 사용하며 보통 진공에서 진행됩니다. 분말 베드 융합에 속하지만 레이저 분말 베드 융합은 아닙니다.
- 선택적 레이저 소결(SLS): 주로 고분자 분말을 레이저로 가열해 입자 사이를 결합하는 방식입니다. 재료에 따라 국부적인 용융도 관여하므로 전혀 녹지 않는 공정으로 단정해서는 안 됩니다.
3D 프린팅 실패 방지
적층 제조와 주조는 부품을 만드는 방식이 다르며, 결과물의 미세구조와 특성도 달라질 수 있습니다. 금속 적층 제조에서는 기공, 거친 표면, 큰 스패터와 같은 결함이 생길 수 있습니다.
이런 결함은 부품의 신뢰성과 내구성을 떨어뜨립니다. 특히 고장이 허용되지 않는 핵심 부품에서는 결함을 제어하고 품질을 검증하는 일이 중요합니다.
“기저 메커니즘을 이해했기 때문에 링 모양 빔으로 고품질 부품을 생산하는 데 적합한 공정 조건을 더 빠르게 찾을 수 있었습니다.”
리앤이 천(Lianyi Chen) — 위스콘신대학교 매디슨 기계공학과 부교수
링 형태 레이저 빔
연구진은 일반적인 가우시안 빔 대신 레이저 제조사 nLIGHT가 제공한 링 모양 빔을 사용했습니다. nLIGHT는 반도체 레이저도 생산하지만, 이 연구에 사용된 장비는 빔 형상을 조절할 수 있는 파이버 레이저입니다.
이러한 비정형 빔은 용융 풀 내 금속 순환을 개선하고, 새로 형성된 표면의 파동을 감소시켜 파편이 작아지고 퍼지는 거리도 짧아집니다.
모델과 관측 일치
연구진은 아르곤 국립연구소의 고에너지 싱크로트론 X선 시설인 Advanced Photon Source를 이용했습니다. 고속 영상, 이론 분석, 수치 시뮬레이션을 결합해 출력 중 재료의 움직임과 결함이 줄어드는 원리를 조사했습니다.
3D 프린팅 속도 향상
링 모양 빔은 연구에서 공정 불안정을 증가시키지 않으면서 더 깊은 영역을 녹일 수 있었습니다. 이를 통해 더 두꺼운 층을 출력할 가능성을 확인했습니다.
같은 높이의 부품을 만드는 데 필요한 층 수가 줄어들면 제작 시간을 단축하고 장비의 생산성을 높일 수 있습니다.
파우더 베드 퓨전 사례
이 연구는 산업 현장에서 사용하는 분말 베드 융합 장비의 개선으로 이어질 수 있습니다. 항공 분야에서는 General Electric (GE.TO ) 계열의 항공 엔진 부품에 적층 제조가 활용되어 왔습니다. GE9X는 일반 보잉 777 전체가 아니라 차세대 777X용으로 개발된 엔진입니다.
GE9X는 대형 터보팬 엔진으로 적층 제조 부품을 사용합니다. 한편 기존 설계보다 내구성이 다섯 배 높다는 널리 알려진 연료 노즐 사례는 CFM의 LEAP 엔진에 관한 것입니다. 두 엔진의 사례를 혼동해서는 안 됩니다.
GE9X는 2020년 미국 연방항공청의 형식 인증을 받았습니다. 이는 엔진 설계에 대한 인증이며, 모든 적층 제조 공정이나 새로운 레이저 방식이 자동으로 인증된다는 뜻은 아닙니다.
품질과 속도를 개선한 분말 베드 융합 공정은 향후 부품 설계와 제조 비용 개선에 기여할 수 있습니다. 실제 적용에는 재료별 검증과 인증이 필요합니다.
3D 프린팅의 미래?
첨단 제조 분야의 활용 확대
앞서 3D 프린팅 산업의 통합과 제조업의 미래를 다룬 바 있습니다.
생체의료용 임플란트와 항공 부품처럼 복잡한 형상이 필요한 분야에서 적층 제조의 활용이 확대되고 있습니다. 다만 생산량, 재료, 비용과 품질 요구에 따라 적합한 공정이 달라지므로 모든 첨단 제조를 대체한다고 단정할 수는 없습니다.
관련 기술은 로봇공학, 궤도상 제조, 체내 홀로그래픽 3D 프린팅 연구 등에서도 검토되고 있습니다. 각 기술의 성숙도와 적용 조건은 서로 다릅니다.
새로운 적용 분야로의 확장
3D 프린팅 비용이 낮아지면 적용 가능한 분야도 넓어질 수 있습니다.
장비 생산량과 활용도가 늘면 규모의 경제를 통해 장비와 원재료 비용이 낮아질 가능성이 있습니다. 실제 비용은 공급망과 장비 종류, 사용 조건에 따라 달라집니다.
기술 개선도 중요한 요소입니다. 원재료 사용을 최적화하면 운영비를 줄일 수 있고, 출력 속도가 빨라지면 장비당 처리량을 높여 부품당 설비 비용을 낮출 수 있습니다.
이번 연구처럼 링 모양 레이저로 더 두꺼운 층을 출력하는 방식이나 두 레이저를 함께 사용하는 기법이 그 예입니다. 3D 프린팅 부품에 전자 기능을 통합하는 기술도 새로운 가능성을 제공합니다.
3D 프린팅에 투자하기
3D 프린팅 기술이 발전하고 산업 내 통합이 진행되면서 투자자들이 살펴볼 사업 모델도 다양해지고 있습니다. 그러나 기술 발전만으로 개별 기업의 수익성이나 투자 수익이 보장되는 것은 아닙니다.
증권사를 통해 3D 프린팅 관련 기업에 투자할 수 있습니다. 이 사이트에서는 미국, 캐나다, 호주, 영국 및 여러 다른 국가의 증권사 비교 정보를 확인할 수 있습니다.
개별 기업을 고르기보다 관련 기업에 분산 투자하려면 ARK의 3D Printing ETF(PRNT) 같은 상품을 검토할 수 있습니다. 편입 종목, 비용, 투자 전략과 위험을 확인해야 합니다.
관련 기사인 「주목할 적층 제조 및 3D 프린팅 기업 10곳」과 「나노기술 기업 10곳」도 참고할 수 있습니다.
링 형태 레이저 기업
LASR 가격 차트
3D 프린팅 산업에는 장비 제조사와 최종 사용자 외에도 레이저, 광학계, 제어 장치 같은 핵심 부품 공급업체가 참여합니다. 부품의 차별화 수준과 고객 기반은 기업마다 달라 개별 사업을 평가해야 합니다.
하지만 여기서 논의된 혁신은 링 형태 레이저라는 새로운 개발을 통해 잠재적인 핵심 응용 분야를 찾은 사례입니다.
연구진은 nLIGHT의 연속파(CW) AFX1000 파이버 레이저를 사용했습니다.
제조사는 다양한 빔 설정을 통해 금속 가공 조건을 조절할 수 있다고 설명합니다. 절단 분야에서는 두꺼운 금속의 절단면 품질과 얇은 금속의 처리 속도를 함께 개선하는 것을 목표로 합니다. 이는 제품에 대한 제조사의 설명이며, 모든 금속과 공정에서 같은 성능을 보장하는 결과는 아닙니다.
이 레이저는 빔의 중심부와 링 부분 사이의 출력 분포를 조절할 수 있습니다. 이를 이용해 재료와 출력 조건에 맞는 에너지 분포를 선택할 수 있습니다.
출처: Trokut Solutions
회사의 매출은 2016~2021년 증가한 뒤 중국 시장 매출 감소 등의 영향을 받았습니다. 회사는 중국 내 레이저 업체와의 경쟁 및 산업용 절단·용접 수요 부진을 부담 요인으로 설명했습니다.
2024년 3분기 자료에 따르면 전체 매출의 95% 이상이 중국 이외 고객에서 발생했습니다. 이는 고객 수의 비율이 아니라 매출 비중이며, 중국 시장이나 경쟁의 영향이 완전히 사라졌다는 뜻은 아닙니다.
출처: nLight
2024년 3분기에는 산업용 매출이 전년 동기보다 41% 감소한 반면, 미세가공 매출은 19%, 항공우주·방산 매출은 59% 증가했습니다. 이러한 차이가 사업 부문별 실적의 엇갈림을 보여 줍니다.
출처: Trokut Solutions
2024년 3분기 영업활동 현금흐름은 마이너스 560만 달러였으며, 전년 동기는 플러스 1,310만 달러였습니다. 항공우주와 미세가공 분야의 성장이 수익성 개선에 도움이 될 수 있지만, 흑자 전환은 매출 구성, 비용과 수요에 달려 있습니다.
연구 참고:
1. Yuan, J., Guo, Q., Clark, S. J., Escano, L. I., Nabaa, A., Qu, M., Huang, J., Li, Q., Román, A. J., Osswald, T. A., Fezzaa, K., & Chen, L. (2025). Revealing mechanisms of processing defect mitigation in laser powder bed fusion via shaped beams using high-speed X-ray imaging. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232
