구리, 다이아몬드 및 빔 성형이 3D 프린팅을 혁신하는 방법

2025년 5월 15일 | 읽기 시간: 5 분

 

애드티브 스낵 팟캐스트의 흥미로운 에피소드에서 진행자 파비안 알레펠드는 영국 울버햄튼 대학교의 아룬 아르주난 교수, AM 상용화 매니저 존 로빈슨, 지식 교환 담당자 맨프리트 싱 등 세 명의 주요 인물과 풍부한 토론을 펼쳤습니다.

이 대담에서는 지난 25년간의 인상적인 적층 제조(AM) 여정을 조명하며 선구적인 연구, 중요한 산업 협력, 인력 개발에 대한 헌신 등을 소개했습니다.

혁신의 유산: 레이저 파우더 베드 융합 25년

울버햄튼 대학교는 1999년에 연구를 시작한 레이저 분말 베드 융합을 가장 먼저 수용한 학술 기관 중 하나입니다. 아룬 아르주난 교수는 주로 금속에 초점을 맞춘 이 대학의 광범위한 역사와 까다로운 재료에 대한 공정 파라미터를 생성하는 데 있어 발전된 전문성을 자세히 설명했습니다. 초기 성과로는 항공우주 및 모터스포츠 응용 분야용 티타늄 프린팅의 선구적인 연구가 있습니다.

2009년 학부생으로 대학과 인연을 맺은 존 로빈슨은 초기 EOS M 250부터 다양한 EOS 장비에 대한 실무 경험을 공유했습니다. EOS M 290 그리고 최근의 AMCM NLight 시스템에 이르기까지 다양한 EOS 장비에 대한 경험을 공유했습니다.

그는 EOS M 270 장비에 특별한 개조가 필요한 티타늄을 최초로 가공한 대학 중 하나라는 점을 강조했습니다. 재규어 랜드로버와 쿡슨 골드(귀금속 레이저 파라미터 개발)에서 업계 경력을 쌓은 로빈슨은 결국 울버햄튼으로 돌아와 적외선 레이저의 반사율이 까다로운 것으로 알려진 구리 및 은의 파라미터 개발에 주력하게 되었습니다.

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한계를 뛰어넘다: 구리에서 구리-다이아몬드 복합재료로: 한계를 뛰어넘다

토론 내내 중요한 주제는 전도성이 높은 소재, 특히 구리를 사용한 대학의 획기적인 연구였습니다.

존 로빈슨은 구리-은 합금에 관한 논문 연구를 통해 처음으로 400와트 미만의 전력으로 구리를 인쇄할 수 있게 되었습니다. 이러한 전문 지식은 배터리 제조업체인 에이스온과의 지식 이전 파트너십에서 귀중한 자산이 되었습니다. 이 대학 팀은 적층 제조 구리 방열판을 개발하여 삼중 주기적 최소 표면(TPMS)을 특징으로 하는 방열판을 개발했습니다. 이 최적화된 방열판은 특히 주변 온도가 높은 환경에서 배터리 팩의 열 관리를 크게 개선했습니다.

이후 대화는 더욱 새로운 소재인 구리-다이아몬드 복합 재료로 옮겨갔습니다. 존 로빈슨은 현재 특허 출원 중인 이 개발은 다이아몬드 코팅 공정 전문 회사인 다이아몬드 하드 서피스와의 협업에서 시작되었다고 설명했습니다.

밀도는 구리의 절반이지만 열 전도성이 4배 높은 다이아몬드는 전기차와 같은 분야에서 경량, 고성능 열 관리 솔루션에 대한 엄청난 잠재력을 제공합니다. 결정적으로 다이아몬드는 전기적으로 불활성이므로 구리 대 다이아몬드 비율을 제어함으로써 효율적인 열 방출이 필요한 전자 장치용 절연체와 같은 특정 애플리케이션에 맞게 열 및 전기적 특성을 맞춤화할 수 있습니다.

놀랍게도 로빈슨은 이 복합 재료가 원자화된 구리만큼 비싸지 않아 열전도율이 향상되고 잠재적으로 더 낮은 비용과 무게로 흥미로운 전기적 특성을 제공한다고 제안했습니다. 아르주난 교수는 이러한 소재가 단순한 대안이 아니라 기술 개발의 근본적인 장벽을 해결할 수 있는 해결책이며, 더 작고 가볍고 강력한 전자 기기를 구현할 수 있다고 강조했습니다.

우수성의 중심: AM의 미래 설계

최근 울버햄프턴 대학교에 설립된 적층 제조 우수 센터는 현재 적층 제조 기술의 주요 한계를 극복하기 위해 노력하고 있습니다. 이 센터의 주요 기술 초점은 빔 프로파일을 단일 스팟에서 링 모양으로 변경할 수 있는 혁신적인 엔라이트 레이저를 활용한 '형상 레이저 분말 베드 융합(SLPBF)'에 맞춰질 것입니다.

이는 페인팅을 할 때 모서리에는 작은 브러시를, 넓은 영역에는 롤러를 사용하는 것과 유사하며, 필요한 부분에는 세밀한 디테일을, 넓은 부분에는 제작 속도를 크게 높일 수 있습니다(스팟 직경 200% 증가 가능). 센터는 품질 및 밀도와 함께 생산성 및 비용을 주요 변수로 통합하여 공정 파라미터 개발을 위한 기존 방법론을 확장하는 것을 목표로 하고 있습니다.

물질적으로 센터는 저전력 구리 프린팅의 성공을 바탕으로 고전도성 소재에 집중할 것입니다. 두 번째 기둥은 전도성 금속과 절연체를 결합하는 다중 재료 프린팅으로, 구리-다이아몬드가 대표적인 예가 될 것입니다. 세 번째 기둥은 열전 소재에 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 소재를 적층 제조하여 설계의 자유를 활용할 수 있다면 에너지 회수 또는 첨단 열교환기에 활용될 수 있으며, 열 방출이 제한 요소인 더 작고 전력 밀도가 높은 전기 모터를 구현함으로써 차세대 컴퓨팅, 국방 및 전기 자동차에 영향을 미칠 수 있습니다.

산업 영향 및 인력 개발

만프리트 싱은 연구를 상업화하고 산업계에 적층 제조 시스템에 대한 접근성을 제공하기 위한 대학의 노력을 강조했습니다. 자동차, 배터리 제조, 의료(예: TPMS 구조의 코발트-크롬 환자 맞춤형 임플란트) 등 다양한 분야에서 지역 및 국가 산업과 지식 교류 파트너십 및 협업을 적극적으로 추진하고 있습니다.

대학은 적층 가공의 기술 격차를 인식하고 학술 과정과 지속적인 발전 개발 과정을 제공합니다. EOS Additive Minds와 같은 단체와 협력하여 개발된 이 프로그램은 3D 프린팅에 대한 배경 지식이 없는 초보자부터 EOS M 290 장비와 같은 고급 시스템에 대한 실습 교육을 원하는 사람까지 다양한 기술 수준을 충족합니다.

이 이니셔티브의 목표는 인력의 숙련도를 높여 업계가 AM을 도입할 수 있도록 자신감을 심어주는 것입니다. 존 로빈슨은 AM이 다른 학위 과정에도 많이 통합되어 있으며, AM 전용 석사 과정에 대한 논의가 진행 중이라고 덧붙였습니다. 박사 과정 연구도 이러한 고급 프로젝트와 밀접하게 연결되어 있으며, 구리-다이아몬드 소재를 연구하는 학생들과 탄탈륨과 몰리브덴의 형상 레이저 개발을 위한 박사 과정을 계획하고 있습니다.

더 넓은 비전: 지속 가능하고 탄력적인 미래를 위한 AM

이 토론에서는 지속 가능성, 경량화, 재분배 제조의 잠재력에서 적층 제조의 역할에 대해서도 다루었습니다. 아르주난 교수는 AM이 자연 뼈의 성능을 모방하는 환자 맞춤형 임플란트와 같은 차세대 의료 기기에 필수적인 마이크로/서브마이크론 규모의 목표 성능을 가진 메타소재를 어떻게 만들 수 있는지에 대해 강조했습니다. 그는 또한 AM이 단순한 형상이 아닌 레이저와 재료의 상호작용을 통해 특성을 파악하여 열교환기와 전자 부품에 혁신을 일으킬 수 있는 표적 재료를 만들 수 있는 기술이라고 상상했습니다.

앞으로 팀은 리쇼어링과 분산 제조에 있어 AM이 매우 중요하다고 보고 있으며, 이를 통해 디자인과 소재 개발은 전 세계적으로 이루어지고 제조는 소비와 가까운 곳에서 이루어질 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

기초 재료 과학 및 공정 개발부터 산업 응용, 인력 교육, 영국 표준 및 AMTA AM 패널 참여를 통한 정책 영향력에 이르기까지 울버햄튼 대학교의 포괄적인 접근 방식은 영국뿐만 아니라 전 세계적으로 AM 환경을 발전시키는 데 중요한 역할을 담당하고 있습니다.

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