내부 유로(Internal Channels), 격자 구조(Lattice Structures), 그리고 컨포멀 냉각 유로(Conformal Cooling Circuits)는 금속 적층제조(Metal AM)의 대표적인 설계 특징입니다. 이러한 구조는 항공우주, 의료, 자동차 산업에서 뛰어난 성능상의 이점을 제공하지만, 동시에 분말 제거(Depowdering) 공정을 훨씬 더 어렵게 만듭니다. Depowdering은 출력된 부품 내부에 남아 있는 잔류 금속 분말을 제거하는 공정으로, 이러한 복잡한 형상에서 가장 큰 기술적 난제가 발생하는 단계이기도 합니다.
어떤 금속 적층제조(Metal AM) 공정에서 분말 제거(Depowdering)가 필요한가요?
자동 분말 제거(Automated Depowdering)는 주로 분말 베드(Powder Bed) 방식의 금속 적층제조 공정에서 필요합니다. 이러한 공정에서는 부품이 미세한 금속 분말 속에 완전히 묻힌 상태에서 제작되기 때문입니다. 대표적으로 분말 제거가 필요한 공정은 다음과 같습니다.
SLM/DMLS (Selective Laser Melting / Direct Metal Laser Sintering) — 일반적으로 LPBF(Laser Powder Bed Fusion)로 알려진 공정
EBM (Electron Beam Melting)
금속 바인더 젯팅(Metal Binder Jetting)
금속 바인더 젯팅(Metal Binder Jetting) 공정에서는 소결(Sintering) 전에 **그린 파트(Green Part)**의 분말을 매우 신중하게 제거해야 합니다. 잔류 분말이 남아 있을 경우 **최종 부품의 밀도(Density)**와 **치수 정밀도(Dimensional Accuracy)**에 직접적인 영향을 미치기 때문입니다.
이러한 공정으로 제작된 부품, 특히 폐쇄형 유로(Closed Channels), 미세 격자 구조(Fine Lattices), 또는 오버행(Overhanging) 구조를 포함하는 부품의 경우, **수작업 분말 제거(Manual Depowdering)**는 작업 속도가 느리고 결과의 일관성을 확보하기 어렵습니다. 이로 인해 분말 제거 공정은 생산의 **병목 공정(Bottleneck)**이 되며, 결국 적층제조(AM)가 제공하는 생산성, 설계 자유도, 그리고 효율성이라는 핵심 가치를 저해하게 됩니다.
SLM 및 DMLS 공정에서는 부품이 분말 베드(Powder Bed) 내부에 완전히 매립된 상태로 제작되므로, 복잡한 형상의 경우 내부 공동(Cavity) 등에 분말이 쉽게 갇히게 됩니다. EBM(Electron Beam Melting) 역시 유사한 방식으로 진행되지만, 공정 중 분말이 **부분적으로 소결(Partial Sintering)**되기 때문에 수작업으로 분말을 제거하는 작업이 더욱 어렵다는 추가적인 과제가 있습니다.
EBM(Electron Beam Melting)은 자동 분말 제거(Automated Depowdering)의 필요성이 가장 큰 공정 중 하나이지만, 부분적으로 소결된(Partially Sintered) 상태의 취약한 그린 파트(Green Part) 구조로 인해 자동화가 기술적으로 매우 어렵습니다. 따라서 Solukon의 현재 솔루션은 LPBF와 SLS 공정(특히 LPBF 분말 제거)에 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 공정에서는 부품의 구조적 강도가 자동화 장비를 이용한 안정적이고 신뢰성 있는 분말 제거 작업을 가능하게 하기 때문입니다.
분말 제거(Depowdering)가 완전히 이루어지지 않으면 어떤 문제가 발생할까요?
일반적으로 자동 분말 제거(Automated Depowdering)가 필요한 이유는 다음과 같습니다.
- 작업자의 건강 및 안전 위험을 줄입니다.
- 복잡한 형상에서도 분말을 완전히 제거할 수 있도록 합니다.
- 반복 재현이 가능하고 인증에 적합한 공정을 제공합니다.
- 분말의 재사용성을 높이고 비용 효율성을 향상시킵니다.
- 산업 규모의 양산을 가능하게 합니다.
이는 자동 분말 제거(Automated Depowdering)가 제대로 수행되지 않을 경우, 품질, 안전, 그리고 운영 측면에서 심각한 위험이 발생할 수 있음을 의미합니다. 특히 다음의 세 가지 위험 요소가 가장 중요합니다.
첫째, 잔류 분말(Trapped Powder) 문제입니다. 내부 유로(Internal Channels)나 공동(Cavities)에 갇힌 미세 금속 분말은 일반적인 방법으로는 항상 제거할 수 있는 것이 아닙니다. 특히 폐쇄형 또는 반폐쇄형 구조에서는 전용의 프로그래밍 가능한 분말 제거 공정이 없으면 잔류 분말을 완전히 제거하는 것이 사실상 불가능할 수 있습니다.
둘째, 오염(Contamination) 문제입니다. 한 번의 빌드(Build) 또는 특정 합금(Alloy)에서 남은 잔류 분말이 다음 생산 공정으로 유입될 수 있으며, 이로 인해 **소재의 이력 추적성(Material Traceability)**이 저하되거나 손상될 수 있습니다.
셋째, 기공(Porosity) 발생 문제입니다. 내부에 남아 있던 잔류 분말이 열처리(Heat Treatment) 또는 HIP(Hot Isostatic Pressing, 열간 등압 가압) 과정에서 부분적으로 소결(Partial Sintering)되면, 부품의 미세조직(Microstructure) 내부에 의도하지 않은 기공(Void)이 형성될 수 있습니다. 이러한 기공은 강도(Strength), 피로 수명(Fatigue Life), 압력 밀폐성(Pressure Tightness) 등 기계적 성능을 직접적으로 저하시킵니다. 또한 이러한 결함은 CT 스캔이나 파괴 검사(Destructive Testing) 없이는 확인하기 어려운 경우가 많습니다.
이 세 가지 위험 요소는 서로 긴밀하게 연결되어 있습니다. 하나의 문제가 발생하면 그 영향이 연쇄적으로 이어져 다음 문제를 유발할 수 있습니다.
항공우주, 의료, 자동차 부품은 왜 분말 제거(Depowdering)가 더 어려울까요?
그 이유는 형상(Geometry), 재료(Material), 그리고 요구 성능(Consequences)에 있습니다. 금속 적층제조(Metal AM)의 장점을 가장 크게 활용할 수 있는 부품인 로켓 추력 챔버(Rocket Thrust Chambers), 연료 시스템 매니폴드(Fuel System Manifolds), 유압 부품(Hydraulic Components), 환자 맞춤형 임플란트(Patient-specific Implants), 그리고 **경량 구조 브래킷(Lightweight Structural Brackets)**은 동시에 분말 제거가 가장 어려운 부품이기도 합니다. 또한 이러한 부품에 사용되는 **티타늄(Titanium)**과 알루미늄(Aluminum) 같은 소재는 취급 과정에서 **불활성 분위기(Inert Atmosphere)**를 요구합니다. 더불어 실제 사용 환경에서는 잔류 분말에 의한 오염이나 **미세조직 결함(Microstructural Defects)**이 허용되지 않기 때문에, 분말 제거 공정의 중요성이 더욱 커집니다.
항공우주 분야에서는 연료 계통이나 냉각 부품의 내부 유로가 잔류 분말로 막히는 것만으로도 심각한 안전 문제로 이어질 수 있습니다. 의료 분야에서는 잔류 분말이 남아 있는 부품이 멸균(Sterilization) 또는 체내 이식(Implantation) 단계로 넘어갈 경우, 관련 규제 및 인증 요건을 충족할 수 없습니다. 또한 자동차 산업에서는 적층제조(AM)를 양산(Serial Production)에 적용하려는 움직임이 본격화되고 있는 만큼, 일관성이 확보되지 않은 분말 제거 공정은 대량 생산에 필수적인 **반복 정밀도(Repeatability)**를 저해하는 요인이 됩니다.
또한 이러한 산업은 부품 크기와 배치(batch) 생산 규모의 한계를 지속적으로 확장하고 있는 분야이기도 합니다.
Solukon은 어떤 역할을 할까요?
Solukon Maschinenbau GmbH는 2015년부터 자동 분말 제거(Automated Depowdering) 시스템을 개발해 온 전문 기업입니다.
Solukon을 차별화하는 핵심 요소는 프로그래밍 가능한 2축 회전 시스템, 반응성이 높은 소재를 위한 제어된 불활성 분위기(Inert Atmosphere), 그리고 부품의 CAD 파일을 기반으로 최적의 동작 시퀀스를 자동으로 계산하는 SPR-Pathfinder® 소프트웨어의 결합에 있습니다.
부품의 실패가 허용되지 않는다면, 분말 제거(Depowdering) 공정 또한 타협하거나 대충 수행되어서는 안 됩니다.
