쇠를 녹여 쌓으니 강도 두 배 '쑥'… 포스텍 산학 공동연구서 확인

비결은 금속 속 미세한 '버팀목'

김형섭 포스텍 교수 (사진=포스텍 제공)

포스텍 연구팀은 금속 3D 프린팅 기업 VF Space(브이에프스페이스)연구팀과 함께 레이저로 금속 와이어를 녹여 쌓은 스테인리스강이 일반 제품보다 최대 약 2배 높은 항복강도를 보인다는 사실을 확인했다.

연구는 재료공학 분야 국제 학술지 'Materials Science and Engineering: A' 온라인판에 게재됐다.

최근 금속 와이어를 레이저로 녹여 쌓는 3D 프린팅은 큰 부품도 효율적으로 만들 수 있어 주목받고 있다.

하지만 이렇게 만든 금속의 속이 어떻게 바뀌고 얼마나 튼튼한지는 충분히 밝혀지지 않았다. 이를 정확히 알아야 산업 현장에서 믿고 쓸 수 있다.

이번에 사용한 316L 스테인리스강은 바닷물에도 잘 녹슬지 않아 주방용품부터 의료기기, 선박, 화학 설비까지 두루 쓰인다.

VF Space는 금속 3D 프린터로 지름 1mm 316L 스테인리스강 와이어를 레이저로 녹여 한 층씩 쌓아 가로·세로·높이 4cm의 금속 블록을 만들었다.

포스텍 연구팀은 이 블록을 서로 직각인 세 방향으로 잘라 양쪽에서 잡아당기는 실험을 하고 전자현미경과 방사광가속기, 컴퓨터 시뮬레이션으로 내부를 살펴 '얼마나 강한가'와 '왜 강한가'를 확인했다.

실험 결과, 항복강도는 방향에 따라 약 444~514MPa로 나타났다. 항복강도는 금속이 힘을 받다가 원래대로 돌아오지 못하고 휘어지기 시작하는 지점이다. 이 수치는 일반 압연 제품의 약 256MPa보다 70~101% 높은 값으로, 가장 강한 방향에서는 약 2배에 달했다.

또한 금속은 단단해질수록 쉽게 부러지는데, 이 금속은 원래보다 37~46% 늘어날 때까지 끊어지지 않고 안정적으로 버텼다.

비밀은 금속 속에 고르게 퍼진 '델타 페라이트(δ-ferrite)'라는 미세 조직이었다. 금속은 원자 배열 속 '어긋남(전위)'이 미끄러지듯 움직이며 휘어지는데 레이저로 순간 녹였다가 빠르게 굳히는 과정에서 생긴 '델타 페라이트'는 이 어긋남이 움직이는 길을 막는 버팀목 역할을 했다.

출근길 만원 지하철 기둥이 사람들이 한쪽으로 쏠리는 것을 막아주는 것과 비슷하다. 이 조직은 일부 구조가 벌집처럼 생겨 한데 힘이 몰리는 것을 막아 금속이 고르게 버틸 수 있도록 했다.

대학과 기업이 산학협력을 통해 함께 진행한 연구는 금속 3D 프린팅이 모양을 만드는 기술을 넘어 금속의 '속'까지 설계하는 기술로 나아갈 수 있음을 보여줬다.


포항=김규동 기자