1. 바인더 젯(Binder jet, BJ) 3D 프린팅 기술 개요
3D 프린팅 기술은 기존의 절삭가공과 다르게 디지털화된 제품의 3차원 모델을 2차원의 층상으로 나누고그 2차원 패턴을 반복적으로 적층하여 제품을 제조하는 방식이다. 제품형상의 자유도가 높고 재료의 손실을 최소화할 수 있으며 공정을 단순화할 수 있다는 점에서 다양한 산업 분야에 적용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 3D 프린팅 기술은 3D 프린팅 표준화 기구인 ISO/TC261과 ASTM F42에서 소재의 종류와 출력방식에 따라 <표 1>과 같이 7가지 기술 유형으로 분류하고 있다.
현재 금속적충 제조공정에 사용되는 기술은 그 빈도순으로 분말베드융해(PBF), 에너지제어용착(DED), 접착재분사(BJ) 순으로 사용되고 있다. PBF 또는 DED는 고출력 레이저를 이용하여 금속 소재를 용융하여 접합하는 기술로 일정한 레이저 밀도를 유지할 수 없다. 이에 따라 가공 영역의 제약으로 인해 대형 제품 제작이 어렵고, 면 가공이 아닌 선 가공이기 때문에 생산 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 반면에 BJ 기술은 분말 사출성형(Metal Injection Molding, MIM)과 유사한 형태이나 금형과 고가의 레이저 소스 (source)가 필요 없으며, 기존 레이저 가공 방식에 비해 면 가공을 하기 때문에 가공 속도가 빠르고, 분사하는 프린팅 헤드의 개수를 늘리면 대면적 및 대량생산이 가능하다.
2. 표준 트렌드 현황
2-1. 국내외 표준 동향
미국의 ASTM과 SASAM은 협의를 통해 현재 국제표준을 ISO/ASTM으로 통합 개발하고 있다. ASTM은 2009년부터, ISO는 2011년부터 TC261(적층제조)을 구성하면서 3D 프린팅 표준화를 시작했으나 2011년 ISO와 ASTM 간 업무협약(MOU)을 체결하며 ASTM 표준을 FAST track으로 ISO 표준화하기로 합의하였다. 또한 SASAM은 유럽 전역에 걸쳐있는 여러 파트너를 포함한 유럽연합(EU) 프레임워크 CSA 프로젝트이다. 유럽의 국가표준기관, 미국 ASTM, 유럽 CEN 등과 협력활동을 통해 적층제조(AM) 표준화 작업을 위한 프로젝트 구조를 통한 임무를 정해 2012년부터 2014년까지 프로젝트를 수행하였다.
현재 ISO/TC261(AM: 적층제조) 및 ISO/TC119(분말야금)에서 바인더 젯 3D 프린팅 기술 관련 표준을 제정하고 있다. 3D 프린팅 표준화는 3D 프린팅에 대한 관심이 고조되기 시작한 2011년 국제표준화기구 (ISO) 내 적층제조 기술위원회(TC261)가 설립되면서 본격적으로 시작되었다. ISO/TC261은 프라운호퍼 연구소를 중심으로 3D 프린팅 연구개발과 사업화가 활발하게 진행되던 독일을 의장국으로, 독일 표준협회 (DIN)를 간사기관으로 지정하여 2023년 현재 31종의 국제표준을 발간하였고, 개정을 포함하여 31종의 표준을 개발 중이다.
▶ ISO/TC261 내에는 총 7개의 워킹그룹(WG)이 활동 중인데 용어(WG1), 공정 및 장비·시스템·소재 (WG2), 시험평가 방법(WG3), 데이터 및 디자인(WG4), EH&S(WG6)와 같은 고유 분야를 중심으로 하고 있다. 최근 3D 프린팅 응용 분야 표준화가 중요시되면서 항공우주(JWG10) 및 플라스틱(JWG11) 분야 표준 개발을 위해 해당 분야 기술표준 개발을 담당 중인 다른 TC와 공동 워킹그룹(JWG)을 구성 하여 운영 중이다. ISO/ASTM 52904에서는 금속 분말 베드 융합 공정의 특성과 성능 표준을 다루고 있으며, 개발 중인 ISO/ASTM FDIS 52908에서는 금속 분말 베드 융합 공정으로 생산된 부품의 후처리, 검사 및 테스트 사항을 규정하였다. 또한 이밖에 적층제조 관련 일반원칙, 데이터형식 등의 표준이 발간하였다.
한편, 분말야금은 1966년 ISO 내 분말야금 기술위원회(TC119)가 설립되며 시작되었고, TC에는 SC2(분말 시험), SC3(소결금속 시험), SC4(초경합금 시험) 및 SC5(분말야금 재료사양)가 있다. 분말 야금이란 금속이나 금속산화물 및 무기물의 분말을 성형하여 형상을 부여한 후 소결공정을 거쳐 가공 제품을 만드는 기술로 분말야금(ISO/TC119)의 국제표준은 총 72종 발간 및 7종 개발이 진행 중이며 현재 스웨덴이 간사(Secretariat)를 담당하고 있다.
▶ TC119/SC2에서는 금속분말의 시험표준(겉보기 밀도, 산소함량 측정) 등 총 21종 발간 및 1종 개발이 진행 중이며 현재 스웨덴이 간사(Secretariat)를 담당하고 있다. ISO 44491 시리즈(ISO 4491-1~ 4491-4)에서 금속분말의 환원방법에 의한 산소 함량측정 표준을 다루고 있으며, ISO 3923 시리즈 (ISO 3923-1~3923-2)에서 금속분말의 겉보기 밀도 측정 표준을 다루고 있다.
▶ TC119/SC3에서는 소결금속의 시험 표준(밀도, 겉보기 경도) 등 총 18종 발간 및 5종 개발이 진행 중이며 현재 독일이 간사(Secretariat)를 담당하고 있다. ISO 3325에서 소결금속의 횡파단 강도 측정 표준을 다루고 있으며, 이 밖에 밀도측정, 겉보기 경도 및 미세 경도 측정, 기포 시험 기공 크기 측정 등다수의 시험방법 표준이 발간되었다.
▶ TC119/SC5에서는 분말 야금 재료의 사양과 관련하여 총 2종이 발간되었으며, 현재 스페인이 간사 (Secretariat)를 담당하고 있다.
우리나라는 2014년 ‘3D 프린팅 산업 발전전략’과 ‘3D 프린팅 산업 진흥 기본계획’ 등을 통해서 3D 프린팅 표준화 기반 조성을 지속적으로 지원하고 있다. 또한 국가기술표준원은 3D 프린팅 산업 발전전략의 실용성 확보와 3D 프린팅 표준 및 기술 보급 촉진을 위해 2014년 적층제조 전문위원회를 설립하고, 2015년 부터 표준기술력향상 사업을 통해 실질적인 표준화 기반조성 활동 수행을 지원하고 있다. 국내에서는 2015년부터 ISO/TC261 대상으로 국제표준화 활동을 수행하면서 현재 총 3종의 국제표준을 제안하여 개발 중이며, 3D 프린팅 분야의 KS표준 개발 및 보급, 관리의 체계적인 수행을 위해서 3D융합산업협회를 표준개발협력기관(COSD)으로 지정하였다.
2-2. 기술개발에 도움이 되는 주요 표준
바인더 젯 3D 프린팅 기술 개발 관련도가 높은 국제표준은 <표 3>과 같으며, 다음과 같이 주요 표준은 기술개발 간에 참조 및 활용이 가능하다
▶ ISO 17296-3:2023(적층제조-일반원칙-제3부:주요특성 및 시험방법)
: 부품 신뢰성 평가기술 개발에 참고(적층제조 공정으로 제작된 출력물의 시험에 적용되는 주요 요구사항 규정)
▶ ISO/ASTM 52902:2019(적층제조—시험 제작물—적층제조 시스템의 기하학적 성능평가)
: AM시스템의 능력을 평가하고 보정할 목적으로 평가를 수행하는 데 사용
▶ ISO/ASTM 52904:2019(적층제조—공정 특성 및 성능—특정 적용 분야의 요구사항을 만족시키기 위한 금속 분말 베드 융해 공정 지침)
: 상용 항공우주 부품과 의료용 임플란트 등 주요 응용 분야의 요건 충족을 위한 금속 분말 베드 융해 (PBF) 장비와 공정의 운영, 생산 제어에 대하여 명시
▶ ISO/ASTM 52907:2019(적층제조—공급재료—금속 분말의 특성 규명법)
: 금속분말의 기술 사양을 제공하고 샘플링, 입자크기, 화학적 구성요소, 특성 밀도, 형태, 유동성, 화학적 구성요소와 포장 및 보관, 오염에 관해 다룸
▶ ISO/ASTM 52910(적층제조-설계-요구사항, 지침 및 권고사항)
: 복잡형상 부품 적층 제조용 설계기술 개발에 참고
▶ ISO/ASTM TR 52912:2020(적층제조—설계—기능 등급 적층제조)
: FGAM(의도한 기능을 충족하기 위해 구성 요소 내 재료 조직의 비율을 점진적으로 변경하는 레이어별 제조기술)의 개념적 이해를 제시하고 현재 상태, 기능, 기술적 한계를 검토
▶ ISO 4491-1:2023(금속분말—환원법에 의한 산소 정량방법-제1부: 일반적인 가이드)
: 금속 분말 시료 중의 산소의 함량을 측정하는 방법으로 기술개발 간 활용
▶ ISO 3325:1996(소결금속 재료(초경합금 제외)―항절력 시험)
: 소결금속의 항절력 강도 시험, 금속 분말의 배치의 소결강도를 참조 분말 또는 기준강도와 비교하는 데활용 가능
▶ ISO/ASTM FDIS 52908(금속의 적층제조—완제품 특성—분말 베드 융해(PBF)로 생산된 부품의 후처리, 검사 및 시험)
: 부품의 신뢰성 평가를 위해 필요한 후처리 및 시험표준으로 현재 개발 중
바인더 젯 3D 프린팅 기술 개발 관련도가 높은 국내 KS표준은 <표 4>와 같으며, 다음과 같이 주요 표준은 기술개발 간에 참조 및 활용이 가능하다.
▶ KS D 5281(적층제조—금속 분말 소재 적층물에 대한 기계적 성능평가)
: 부품 신뢰성 평가기술 개발에 참고
▶ KS D 5283(적층제조—산업용 AM 장비구동 성능평가—일반사항)
: 3차원 프린터 공정의 기본적인 작동 성능을 평가하기 위한 장비 구동 성능평가 방법에 대하여 참고
3. 맺음말
차세대 모빌리티용 부품의 대량생산, 대면적, 고강도화, 경량화, 고기능성 등 다양한 요구 특성에 대응하기 위해서는 소결 기반 적층제조 기술인 바인더 젯 3D 프린팅 기술개발이 필요하며, 이를 위해서는 구형 철계 분말 제조기술과 Binder Jet 3D 프린팅 공정 개발 및 부품의 신뢰성 평가 기술개발이 중요하다.
이와 관련하여 분말야금 분야의 표준은 유럽이 주도하여 개발하고 있으며, 적층제조 기술 분야의 표준은 독일이 주도하고 있다. 또한 우리나라는 적층제조 분야에서 2015년부터 보급형 3D 프린터의 분진배출량 측정법 등 총 3종의 국제표준을 제안하여 개발하면서 현재 적극적으로 국제표준화 활동에 참여하고 있다.
ISO/TC261과 ISO/TC119에서는 적층제조와 분말야금에 관련된 용어, 안전, 측정/특성 평가 및 설계 및완제품의 성능평가 등에 대한 표준이 제정되어 있어서 기술 개발 간에 참고 및 적용이 가능하지만, Binder Jet 3D 프린팅 공정의 생산제품에 대한 신뢰성 평가 관련 국내외 세부 표준은 없다.
또한 현재 소결 기반 3D 프린팅 기술을 활용한 부품 제조는 상용화 도입 수준인 관계로 향후 해당 기술로 생산된 제품의 신뢰성 확보를 위한 표준개발 수요가 증가할 것으로 판단되므로 기술개발 간에 표준화가 연계된다면 국내 관련 산업의 대외 경쟁력 제고에 기여할 수 있을 것이다.