3D 프린팅은 3차원 도면을 토대로 입체물을 인쇄하는 제조 기술이다. 원자력 기술에 3D 프린팅 기술을 접목하면 복잡한 구조 부품을 이음새 없이 설계·제조할 수 있어 안전성이 높아진다. 최근 국내 연구원과 산업체가 해당 성능에 주목해 새로운 장비를 개발했다.

한국원자력연구원(원장 박원석)은 세계 최초로 ‘1m 크기 부품 제작용 PBF 3D 프린터’를 개발했다고 2월 24일 밝혔다. 금속 절삭기계 전문 제조기업인 씨에스캠(주)(CSCAM, 대표 이철수)과 공동 협력한 결과다.

PBF(Powder Bed Fusion, 분말 소결 방식)는 얇게 펼친 분말에 레이저나 전자빔을 정밀하게 조사해 녹이는 방식이다. 녹은 분말은 고체화돼 겹겹이 쌓을 수 있다. 복잡한 형상의 정밀부품 생산에 유리한 원리로 오늘날 가장 보편적인 금속 3D 프린팅 기술로 알려져 있다.

단 PBF 장비로 제조할 수 있는 부품 크기는 최대 0.5m에 불과해 산업현장에서 활용하는 데에 한계가 있었다. 하지만 이번에 가로 1m, 세로 0.5m까지 제조할 수 있는 프린터가 제작돼 상용화 장벽을 허물었다.

원자력연구원 김현길 박사팀은 PBF 3D 프린팅의 크기 제약을 없애고자 ‘병렬확장 기술’을 고안했다. ‘병렬확장 기술’은 프린터의 핵심부품인 레이저 소스와 스캐너 두 세트를 나란히 연결한 것이다.

한곳에 고정된 레이저 소스는 거울처럼 반사하는 특성의 스캐너를 거쳐 가로 0.5m, 세로 0.5m 면적에 빛을 고루 전달한다. 이번 프린터에는 레이저 소스와 스캐너가 각각 2개씩 설치돼 가용 범위를 가로 기준 1m로 늘렸다.

PBF의 장점인 높은 정밀도를 유지하려면 두 레이저가 중첩되는 부분에 대한 정밀 제어가 관건으로 연구진은 실험과 시뮬레이션 프로그램을 병행해 레이저 속도, 패턴 등에 대한 변수값을 구축했다. 이로써 열과 응력에 따른 변형을 사전에 예측해 연결 부위를 결함 없이 매끄럽게 만들 수 있다. 

이번 기술은 현재 특허 출원을 앞두고 있다. 또한 레이저 소스와 스캐너를 가로와 세로 방향 모두 0.5m씩 추가 연결할 수 있어 향후 ‘수 m 부품 제작용 프린터’ 개발도 가능할 것으로 전망된다. 

원자력연구원은 이번에 개발한 3D 프린터를 활용해 원전 열교환기, 임펠라 등 니켈 합금 소재의 시작품 5종 제조에 성공했다. 향후 씨에스캔과 지금까지 확보한 PBF 3D 프린터 대형화 기술을 더욱 고도화시켜 부품별로 맞춤형 공정 및 품질인증을 제공할 계획이다. 특히 단종된 부품의 실물을 스캔해 제조하는 역설계, 혁신형 소형모듈원자로(i-SMR) 및 우주용 초소형 원자로의 핵심부품 개발 및 제조 등에 중점을 두고 있다. 

한국원자력연구원 박원석 원장은 “이번 PBF 3D 프린터의 제조 한계 극복은 원자력연구원의 선도적인 기술혁신 성과”라며 “앞으로 첨단 원자력 기술은 물론 에너지·환경, 국방, 우주산업 등 타 산업 대형 부품 제조에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.