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2016년 1월 4일 월요일

3D 프린터로 만드는 내열 세라믹 부품


(출처: HRL Laboratories) ​
​ 3D 프린터는 21세기의 연금술로 불리고 있지만, 사실 아직은 응용 범위가 제한적입니다. 예를 들어 금속 소재를 이용한 금속 3D 프린터는 비교적 최근에야 상용화가 가능한 수준에 도달했습니다. 세라믹 소재의 경우 현재 기술로는 3D 프린터로 만족할만한 제품을 만들기가 어려운 상황입니다.
 HRL Lab의 연구자들은 고강도 내열 세라믹을 3D 프린터로 출력하는 방법을 개발했습니다. 세라믹은 단단하고 높은 열에 잘 견디지만, 금속처럼 다양한 형태로 가공하기가 곤란한 제품이기도 합니다. 3D 프린터는 매우 다양한 형태의 세라믹 부품을 만드는데 최적의 대안이 될 수 있지만, 세라믹이 3D 프린팅으로 제조하기에는 곤란한 소재라는 점이 문제입니다.
 일반적인 3D 프린팅 기법은 높은 열로 조금씩 소재를 굳혀 붙이는 방식입니다. 그런데 이 방식으로 세라믹 소재를 출력하면 많은 균열이 발생하여 실제로는 상용화가 불가능한 경우가 대부분이었다고 합니다.
 HRL의 연구자들은 프리세라믹 폴리머(preceramic polymers)를 통해 이 문제를 극복했습니다. 이 폴리머는 세라믹을 만드는 성분과 폴리머가 합친 형태로 일반적인 3D 프린터처럼 복잡한 모양을 출력한 다음 열을 가해서 굳히면 세라믹이 되는 원리입니다. (동영상 참조)
 위의 사진에서 보듯이 이렇게 만든 세라믹 제품은 금속을 금방 녹일 수 있는 열에도 강하며 열 전도율이 매우 낮기 때문에 부품을 손으로 잡을 수도 있습니다. 그러면서도 기존의 세라믹 제조 방식으로는 만들기 어려웠던 복잡한 제품도 출력이 가능합니다.

(동영상)
​ 한 가지 흥미로운 사실은 위에 보이는 것 같은 그물망 구조가 무게 대비 강도가 매우 강하다는 것입니다. HRL이 만든 세라믹 망구조(Ceramic lattice structures) 제품은 비슷한 제품에 비해 무게 대 강도비가 10배나 높다고 합니다.     
 연구팀은 앞으로 이 제조 공법이 우주 항공 부분, 특히 엔진처럼 내열성이 요구되는 분야에서 응용될 가능성을 기대하고 있습니다. 실제로 HRL은 DARPA로 부터 인정을 받아 계약도 맺었습니다. 이들은 우주선이 대기권으로 진입할 때 열을 견디는 세라믹 제품을 연구할 예정입니다.
 다만 상용화를 위해서는 내열성 뿐 아니라 내구성, 강도 및 내마모성 등의 여러 가지 기계적 특성이 우수한 제품을 출력할 수 있어야 할 것입니다. 특히 세라믹 제품은 힘을 받으면 금속처럼 늘어나는 대신 깨지는 문제가 있습니다.
 아무튼 세라믹 부품을 이렇게 복잡한 형태로 출력이 가능하다는 것 만으로도 큰 혁신은 맞는 것 같습니다. 과연 3D 프린터가 세라믹 제조 부분에서 혁신을 일으킬지 미래가 궁금합니다.  
 참고 ​
 





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