금속 3D프린팅한 스테인리스강, 2배 단단해졌다···포스텍, ‘강철 레시피’ 원리 규명

김형섭 포항공대(POSTECH) 친환경소재학과 교수. 포항공대 제공

금속 3D 프린팅으로 만든 스테인리스강이 일반 제품보다 최대 2배 강해지는 원리를 국내 연구진이 밝혀냈다.

포항공대(POSTECH)는 김형섭 친환경소재학과 교수 연구팀이 금속 3D 프린팅 기업 ‘VF Space’와 함께 레이저로 금속 와이어를 녹여 쌓은 스테인리스강의 강도와 내부 구조를 분석했다고 9일 밝혔다.

연구에는 부식에 강해 의료기기와 선박, 화학설비 등에 널리 쓰이는 316L 스테인리스강이 사용됐다. VF Space는 지름 1㎜의 금속 와이어를 레이저로 녹여 한 층씩 쌓아 가로·세로·높이 4㎝ 크기의 금속 블록을 만들었다.

김 교수 연구팀은 이 블록을 서로 다른 세 방향으로 잘라 잡아당기는 실험을 진행했다. 전자현미경과 방사광가속기, 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 금속 내부 구조도 분석했다.

실험 결과 3D 프린팅으로 만든 스테인리스강의 항복강도는 방향에 따라 444~514MPa로 나타났다. 항복강도는 금속에 힘을 가했을 때 원래 형태로 돌아오지 못하고 변형되기 시작하는 지점을 뜻한다.

일반 압연 제품의 항복강도인 약 256MPa와 비교하면 70~101% 높은 수준이다. 강도가 높아졌지만 쉽게 끊어지지도 않았다. 금속은 원래 길이보다 37~46% 늘어날 때까지 버텼다.

강도를 높인 핵심은 금속 내부에 형성된 ‘델타 페라이트’라는 미세 조직이었다. 금속은 힘을 받으면 원자 배열 속 어긋남인 ‘전위’가 움직이면서 변형된다. 레이저로 금속을 빠르게 녹였다 굳히는 과정에서 생긴 델타 페라이트는 이런 전위의 움직임을 막는 ‘버팀목’ 역할을 했다.

일부 델타 페라이트는 벌집과 비슷한 구조를 형성해 힘이 한곳에 집중되는 것도 막았다. 연구팀은 이 때문에 금속의 강도를 높이면서도 쉽게 부러지지 않는 특성을 유지할 수 있었다고 설명했다.

이번 연구는 금속 3D 프린팅의 공정 방식과 내부 구조, 강도 사이의 관계를 규명했다는 데 의미가 있다. 공정을 조절하면 원하는 강도를 가진 부품을 만들 수 있어 선박과 플랜트 등 크고 튼튼한 금속 부품이 필요한 분야에 활용할 수 있을 것으로 연구팀은 보고 있다.