자동차를 프린팅하는 방법: 고성능 복합재료 3D 프린팅 기술

도호쿠 대학 소재연구소 및 신산업 창조 육성 센터의 연구원들은 다중소재 3D 프린팅 기술에서 획기적인 성과를 거두어, 가볍지만 내구성이 뛰어난 자동차 부품을 만드는 공정을 선보였습니다.

금속 3D 프린팅 공정은 열을 사용하여 금속을 층층이 증착하여 물체를 만드는 것입니다. 3D 프린팅의 정밀성 덕분에 고유하고 고도로 사용자 정의 가능한 모양을 생산할 수 있으며, 이는 종종 기존 제조 방법보다 낭비되는 부산물을 덜 생성합니다. 구성 요소의 최적 성능을 위해 다양한 재료를 전략적으로 결합하는 "다중 재료 구조"도 3D 프린팅을 통해 만들 수 있습니다. 예를 들어, 강철 자동차 부품은 알루미늄과 결합하여 더 가볍게 만들 수 있습니다. 이러한 이점으로 인해 이러한 3D 프린팅 기술을 마스터하는 것이 연구자들의 상당한 관심을 받고 있습니다.

하지만 이 기술에는 몇 가지 어려움이 따릅니다.

"다중 재료는 공정 유연성으로 인해 적층 제조 분야에서 화제가 되고 있습니다." 켄타 야마나카(도호쿠 대학) 조교수가 설명합니다. "그러나 실제 구현에서 가장 큰 과제는 강철과 알루미늄과 같은 특정 금속 조합의 경우 서로 다른 금속 계면에서 취성 금속간 화합물이 형성될 수 있다는 것입니다. 따라서 재료는 이제 더 가볍지만 결국 더 취성이 강해집니다."

이 연구의 목표는 가볍지만 강도는 손상되지 않는 강철-알루미늄 합금을 생산하는 것이었습니다. 이를 위해 연구팀은 레이저를 사용하여 금속 분말을 선택적으로 녹이는 주요 금속 3D 프린팅 기술 중 하나인 레이저 파우더 베드 퓨전(L-PBF)을 사용했습니다. 그들은 레이저의 스캔 속도를 높이면 취성 금속간 화합물(예: Al5Fe2 및 Al13Fe4)의 형성이 상당히 억제된다는 것을 발견했습니다. 그들은 이 더 높은 스캔 속도가 비평형 응고라고 하는 것으로 이어지고, 이는 재료의 약점을 초래하는 용질 분배를 최소화한다고 제안했습니다. 결과적으로 그들이 만든 결과물은 강력한 결합 계면을 보여주었습니다.

"즉, 계획 없이 두 금속을 그냥 붙여서 붙이기만 하면 안 된다는 뜻입니다." 특별 임명 조교수 임승균(도호쿠 대학)이 말했다. "먼저 현장 합금화 메커니즘을 완벽하게 이해해야 했습니다."

이러한 성과를 바탕으로 그들은 맞춤형 지오메트리를 갖춘 세계 최초의 실물 크기 자동차 다중 소재 구성 요소(서스펜션 타워)를 성공적으로 프로토타입화했습니다. 연구 그룹은 이러한 결과를 유사한 접합 문제를 개선해야 하는 다른 금속 조합에 적용하여 더 광범위한 응용 분야를 허용할 계획입니다.

해당 결과는 2024년 11월 19일에 Additive Manufacturing 에 게재되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241217201520.htm