과학기술 정보통신 산하 정부출연연구기관인 우리대학 조영태, 김석 메카대 기계공학부 교수 연구팀이 한국재료연구원 김찬규 박사, 서강명 박사, 송상우 박사 연구팀과 한국기계연구원 부산 기계 기술연구센터 조대원 박사 연구팀과 함께 금속 소재를 자유롭게 연속적으로 3D 프린팅이 가능한 펜 기술 개발에 성공했다.

이번에 개발된 금속 3D 프린팅 펜 기술은 아크 플라스마 열원을 사용하는 금속 3D 프린팅 기술에서 메탈의 용융부피와 응고 시간을 제어하는 원천 기술을 가능하게 하고 3차원 공간상에서 금속 3D 프린팅 펜을 3차원에서 서포트(Support)와 포지셔너(Positioner)없이 용접토치가 움직이는 방향으로 금속을 자유롭고 연속적으로 적층제조가 가능하다. 그리고 레이저를 사용하는 3D 프린팅 기술과 비교했을 때 장비 구축 비용이 저렴하다.

이번 연구에 참여한 연구진은 액체 상태에서 일정한 표면 장력을 가지는 응용 금속의 부피량과 대류, 전도에 의해 용융 금속이 응고되는 부피량을 제어해 모든 자세에서 금속 적층제조가 가능한 기술을 개발했다. 기존에 사용했던 ‘Wire arc additive manufacturing(WAAM)’ 공정과 비교하면 연속 적층제조 공정으로 층간 경계면이 없고 조밀한 미세조직을 형성해 우수한 기계적 물질을 가진다는 특징이 있다. 이 기술은 금속 3D 프린팅 펜 기술은 기계제조산업, 예술 및 조형 분야에 이용 가능하다.

이번 연구는 한국연구재단 지역혁신선도연구센터 사업인 ‘극한환경 스마트 기계부품 설계/제조혁신센터사업’, 한국연구재단 우수신진연구 ‘다양한 물질의 부착 및 전달 제어를 위한 생체모방 다중스케일 스마트 표현’ 개발 과제의 지원을 받아 수행됐다. 연구에 대한 논문은 세계적인 학술지인 ‘Advanced Science(IF 17.521)’의 2023년 2월호 표지 논문에 실렸다. 이후 한국재료연구원 접합기술 연구팀은 원전, 방산 분야에 대한 후속 연구를 진행 중이다.

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