일본에서 마그네슘 합금의 3D 프린팅에 대한 연구 결과를 발표했습니다. 일본 항공 우주 탐사 기구(JAXA), 미쓰비시 전기, 구마모토 대학의 마그네슘 연구 센터, 도호 긴조코로 이루어진 컨소시엄에서 공동연구를 한 결과입니다. 마그네슘은 가벼운 질량으로 우주선, 자동차등을 경량화할 수 있는 부품으로 유용한 소재입니다. 반응성이 강하고 비교적 낮은 온도에서 증발하는 특성이 있어서 3D프린팅(AM) 소재로 사용하기에 어려움이 있지만, 이번 연구에서는 불연성 합금을 사용했다고 합니다.

발표된 원문을 번역하여 소개해드립니다.

미쓰비시 전기 주식회사, 구마모토 대학교 마그네슘 연구 센터(MRC), TOHO KINZOKU CO., LTD., 일본 항공우주 탐사국(JAXA)은 오늘 3D 프린팅 업계 최초의 3D 프린팅 기술을 발표했습니다. 지향성 에너지 증착(DED) 방식을 통해 와이어 레이저 금속 3D 프린터에 마그네슘 합금을 사용하는 고정밀 적층 가공(AM) 기술로 , 산업 제조 분야에서 큰 도약을 이루었습니다. 비교할 수 없는 정밀도와 복잡성으로 마그네슘 합금을 가공할 수 있는 잠재력을 발휘하면 로켓, 자동차, 항공기 등의 부품을 철이나 알루미늄으로 만든 부품보다 가볍고 튼튼하게 만들어 연료 효율을 향상시킬 수 있습니다. 로켓, 생산 비용 절감 또한 와이어 레이저 금속 3D 프린터를 기반으로 계획된 생산 공정은 기존 공정에 비해 에너지 효율성이 더 높고 온실가스 배출량도 적어 지속 가능성을 높이기 위한 저영향 솔루션 제공을 약속합니다.

컨소시엄 회원들은 2022년 9월부터 JAXA의 혁신적 미래 우주 수송 시스템 연구 및 개발 프로그램의 틀에서 공동 연구(마그네슘 합금 와이어를 사용한 레이저 와이어 DED 방식 AM 공정 기술 연구)를 수행하여 로켓의 무게를 줄이고 이를 통해 비용을 대폭 절감하기 위해 노력하고 있습니다. 로켓 외에도 최근 전기 자동차로의 전환과 상업용 항공기 수요 증가 등의 요인으로 인해 무게 감소의 필요성이 커져 마그네슘 합금이 많은 분야에서 주목을 받고 있습니다. 그러나 마그네슘 합금은 일반적으로 다이캐스팅으로 가공되므로 내부가 비어 있는 구조물을 만드는 것이 어렵습니다. 또한 열을 사용하여 금속 분말을 선택적으로 녹이는 AM의 주류인 파우더 베드 퓨전(PBF) 방법은 산화 또는 분진 ​​폭발로 인해 분해될 수 있어 안전한 제조에 문제가 있습니다.

이에 대응하여 컨소시엄은 와이어 레이저 DED 방식과 금속 분말 대신 금속 와이어를 재료로 사용하는 미쓰비시 전기의 금속 3D 프린터와 MRC가 개발한 고불연성 KUMADAI 내열 마그네슘 합금 을 결합했습니다 . 미쓰비시 전기는 테스트에서 TOHO KINZOKU가 생산한 KUMADAI 내열 마그네슘 합금으로 고급 와이어 드로잉 기술을 사용하여 성형 공정을 반복했습니다. 그 결과 마그네슘 합금 와이어를 AM 소재로 사용하고 정확한 온도 제어를 통해 연소를 방지하는 새로운 기술이 탄생했습니다.

이 신기술로 생산된 AM 생산 샘플에 대한 JAXA의 평가를 바탕으로 일부 로켓 부품은 기존 알루미늄 합금 구조보다 최대 약 20% 더 가볍게 만들 수 있는 것으로 추정됩니다.

또한, 동일한 공정이 다양한 운송 장비 및 로봇 구성 요소를 포함하여 중량 감소가 필요한 다른 분야에도 널리 적용될 수 있다고 믿어집니다. 따라서 다양한 산업 분야의 응용 프로그램을 타겟으로 하는 추가 연구 및 개발이 미쓰비시 전기의 작업과 병행하여 2029년경까지 와이어 레이저 DED 금속 3D 프린터에서 기술을 상용화하기 위해 수행될 것입니다.

제품 특징
1) 마그네슘 합금 와이어의 AM은 높은 가공성과 강도를 겸비하고 있습니다.
- MRC는 와이어 형태에서도 난연성이 있는 AM용 조성물을 찾기 위해 많은 KUMADAI 내열 마그네슘 합금을 연구했습니다.
- 도호기계공업은 AM용 와이어를 모든 직경, 길이로 생산하는 기술을 확립하고, 미쓰비시 전기에서 광범위한 테스트를 거친 프로토타입 와이어를 제작하여 최적의 와이어 두께와 와이어 인발 공정을 도출했습니다.

2) 고정밀 AM 기술은 불연성 마그네슘 합금 와이어를 사용합니다.
- 미쓰비시 전기는 컴퓨터 수치 제어(CNC)를 사용하여 레이저 전력과 와이어 속도를 정밀하게 제어하여 가공 영역을 일정한 온도로 유지하는 와이어 레이저 DED 금속 3D 프린터용 기술을 개발했습니다. 이를 통해 폭 3mm의 마그네슘 합금을 높은 정밀도로, 연소 없이 어떤 모양으로든 가공할 수 있습니다.
- 다이캐스팅과 달리 금형이 필요 없으므로 금형을 교체하고 교체하는 데 드는 비용이 없습니다.

3) 마그네슘 합금 AM 구조로 로켓 부품 경량화 가능
- AM 생산 샘플은 실온에서 약 250메가파스칼(MPa)의 높은 인장 강도를 달성하고 200도 정도의 고온에서는 약 220MPa의 높은 인장 강도를 달성하는데, 이는 기존 방식과 동일하거나 더 좋습니다. 또한 샘플은 내열성 및 불연성인 것으로 나타났습니다.
- JAXA는 기존 소재와 비교하여 로켓 소재로서의 샘플 적용 가능성을 평가한 결과, 로켓 껍질 구조와 공기 역학적 제어 날개의 무게를 최대 20%까지 크게 줄일 수 있다는 것을 발견했습니다.

4) AM 처리 과정에서는 온실 가스가 발생하지 않아 지속 가능성을 지원합니다.
- 마그네슘 합금은 알루미늄이나 철에 비해 가볍고 강하기 때문에 자동차, 항공기 부품에 사용하면 연비 향상에 도움이 됩니다.
- 잉곳을 이용한 가공에 비해 재료 낭비가 최소화되어 가공 시 에너지 효율이 향상되고 재료가 절약됩니다.
- 이 기술은 기존에 마그네슘 합금 주조 시 차폐 가스로 사용되었던 지구 온난화 지수가 높은 온실가스인 육불화황(SF6)을 사용하지 않아 온실가스 배출량을 크게 줄이는 데 도움이 됩니다.

이 공동연구의 목적은 기존 합금 와이어에 비해 강도가 우수한 금속 AM용 새로운 합금 와이어 소재를 상용화하여 추진제 탱크와 같은 대형 구조물의 중량 감소를 통해 로켓 구조물의 획기적인 비용 절감을 실현하는 것입니다. 금속 AM에 적합한 고강도 와이어는 우주 수송뿐만 아니라 중량 감소가 필요한 다양한 수송 장비 및 로봇 구성 요소, 기타 지상 구조물에도 적용할 수 있습니다.

참고) 보도자료