포스텍(POSTECH)은 김형섭 친환경소재대학원·신소재공학과 교수, 친환경소재대학원 런하오 우 박사·신소재공학과 박사과정 사공만재 씨 연구팀이 '직접 에너지 증착(DED)' 기술을 활용해 금속 부품 수리 공정의 혁신 전략을 개발했다고 밝혔다.
금속 부품은 여러 산업에서 광범위하게 사용되며, 손상된 금속 부품을 신속하고 효율적으로 수리하는 기술은 생산성과 자원 절약에 중요한 역할을 한다. 특히, 항공우주, 자동차, 에너지 플랜트 등 첨단 산업에서 사용되는 고가의 금속 부품은 교체보다 수리가 훨씬 경제적인 선택이 될 수 있다.
DED 기술은 3D 프린팅 기법의 하나로 손상된 부품에 홈을 가공한 후 레이저로 새로운 소재를 덧붙여 수리하는 혁신적 방법이다. 그러나 홈의 각도와 레이저 에너지에 따라 발생하는 결함, 잔류 응력으로 인한 균열, 그리고 분말 공급 문제 등은 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있었다.
연구팀은 316L 스테인리스 스틸로 제작된 홈의 벽 각도가 90°, 135°인 경우에 대한 수리 전략을 탐구하며, 수리의 완전성과 관련된 지표(홈의 각도, 레이저 에너지 입력, 분말 공급 등)를 분석했다. 그리고 이를 바탕으로 레이저 출력과 분말 공급 속도를 조절할 수 있는 새로운 '이중 레이저 파워(Dual laser power)' 전략을 개발했다. 316L은 오스테나이트계 스테인리스 스틸의 한 종류로, 해양 환경, 의료 기기와 식품 가공 산업 등에서 주로 사용된다.
이 전략은 특정한 부품 모양(각도)에 따라 레이저 출력값을 조정할 수 있으며, 경사면에서 더 높은 출력을 사용하는 방식으로 평면과 경사면에서 각각 다른 레이저 출력값을 사용해 증착되는 재료와 홈 사이의 결합을 강화했다. 그 결과, 수리된 부품에서는 결함이 발생하지 않았고, 적층 과정에서 서로 다른 성질을 가진 이질적인 미세구조가 형성되어 기존 공정으로 수리된 부품에 비해 뛰어난 강도와 연성 등 기계적 성능을 보였다.
김형섭 교수는 “금속 수리 공정의 효율성을 극대화하고, 수리된 부품의 기계적 성능을 향상하는 데 중요한 진전을 이룬 사례”라며 “향후 다양한 금속 재료와 복잡한 구조를 대상으로 한 연구를 통해 금속 수리 기술의 상용화를 가속할 계획”이라고 했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 진행된 이번 연구는 최근 재료공학 분야의 국제 학술지인 '저널 오브 머티리얼즈 리서치 앤 테크놀로지(Journal of Materials Research and Technology)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
