몇 분만에 금속 의자를 프린트!...MIT, 액체 금속 활용 3D 프린팅 기술 개발

제작의 시대에서 인쇄의 시대로 한발 더 무게 중심이 옮겨졌다. 테이블 다리나 의자 프레임 같은 금속물로 된 구조물을 3D 프린터로 인쇄하는 기술을 MIT 연구팀이 개발하고 있기때문이다. 액체 금속 인쇄(LMP;liquid metal printing)라고 이름 붙인 기술을 활용하면, 몇 분 만에 빠르고 간편하게 필요한 구조나 부품을 인쇄 형식으로 제작할 수 있다.

이번에 개발한 액체 금속 인쇄 기술은 비슷한 방식으로 금속 층을 쌓아서 원하는 제품을 얻는 방식보다 최소 10배 이상 빠르다는 것이 연구팀의 설명이다. 액체 상태로 녹인 알루미늄을, 고운 가루 형태의 유리구슬이 깔린 인쇄 베드 위에, 노즐을 통해 배출하는 방식으로 인쇄가 이루어진다. 그래서 노즐 위쪽에는 작은 용광로에 해당하는 흑연 도가니가 달려있다.

 

MIT 연구팀이 개발한 액체 금속 인쇄 방법으로 제작한 알루미늄 의자. 용융 상태의 알루미늄을 유리 분말로 된 인쇄 베이스 위에 인쇄해서 만들었다. (자료 : MIT News)

 

흑연 도가니에서 액체 상태로 녹은 알루미늄을 세라믹 노즐을 통해 인쇄 베드로 배출하면, 액체 상태의 알루미늄이 식으면서 굳어진다. 연구팀은 개발 과정에서 고온의 알루미늄 액체때문에 노즐 재료로 사용한 스테인리스나 티타늄 노즐이 녹거나 막히는 현상을 해결해야 했다. 결국은 세라믹 노즐로 최종 결정해서 문제를 해결했지만, 이 경우도 액체 알루미늄의 가열상태가 일정하지 않기 때문에 막힐 수 있다고 연구팀은 밝혔다.

노즐에서 나온 알루미늄을 쌓아가는 인쇄 베드에도 적합한 재료를 찾기 위해 다양한 재료를 시험했다. 흑연이나 소금 분말을 사용해 보았지만 용융상태의 높은 알루미늄 온도를 견디지 못했다. 그래서 찾아낸 것이 마치 가루처럼 보이는 100마이크론 크기의 미세한 유리구슬이다. 유리는 높은 온도를 견딜 수 있고, 크기가 작기 때문에 인쇄물에 대한 특성에 영향을 거의 주지 않는다.

다만, 이렇게 프린트한 인쇄물은 이른바 해상도가 높지 않다. 정밀하고 매끈하며 섬세한 제품을 만들 수는 없다는 의미다. 흑연 도가니에 담여 있는 용융 상태의 알루미늄의 양, 프린트 베드의 깊이, 노즐의 크기와 모양에 영향을 크게 받기 때문이다. 그래서 표면이 거칠고 울퉁불퉁해도 별로 상관없는 건축 현장의 구조물이나 건설이나 산업 현장에서의 대형 구조물에 적합하다.

물론 이렇게 완성된 인쇄물을 밀링이나 보링등의 추가 가공을 통해, 기존 방법보다는 원하는 구조물이나 부품을 빠르고 완성도 있게 만드는 것도 가능하다. 따라서 대량 생산이 필요하지 않은 소량 또는 일회성 제품이나, 대량 생산을 위한 시제품을 개발할 때 활용할 수 있다. 앞으로 연구팀은 용융된 금속 재료의 흐름을 원활하게 제어하고, 노즐 크기에 따른 인쇄물의 완성도도 일정하게 유지하는 연구를 지속할 예정이다.