플라스틱 형상을 니켈 용기로 바꾸는 3D프린팅·전기주조 공정
이 공정에서 3D프린터가 만드는 것은 최종 금속 부품이 아니다. ORNL과 A.J. Tuck Company는 먼저 폴리머 폼을 출력하고, 그 표면에 니켈을 전기주조해 금속 분말을 담을 HIP 캔을 만들었다.
하나의 공정에 등장하는 세 물체
폴리머 폼은 원하는 형상을 정하는 임시 구조다. 중공 니켈 HIP 캔은 고온·고압 처리 전에 금속 분말을 채우고 밀봉하는 용기다. 최종 금속 부품은 그 캔 안의 분말이 열과 압력으로 결합해 만들어지는 고체다. 세 물체는 모양을 이어받지만 역할은 서로 다르다.
먼저 기존 방식으로 만들기 어려운 형상을 폴리머로 3D프린팅한다. 폼을 전해액에 넣고 전기를 이용해 니켈을 쌓으면, 표면을 정밀하게 복제한 약 2~3밀리미터 두께의 균일한 금속 껍질이 형성된다. 전기주조와 금속 가공 전문성을 제공한 A.J. Tuck Company가 프로젝트의 전기주조 작업을 수행했다.
니켈층이 완성되면 내부 폴리머를 제거한다. 이번 실증에서는 산으로 폼을 녹였다. 남은 속 빈 니켈 구조가 HIP 캔이다. 여기에 금속 분말을 채우고 밀봉한 뒤 HIP, 즉 열간 등방압 성형으로 높은 열과 압력을 가하면 분말 입자가 결합해 고체 부품이 된다.
폴리머 출력이 맡은 정확한 역할
폴리머 3D프린팅은 복잡한 형상을 빠르게 바꿔 가며 만들 수 있게 한다. ORNL은 플라스틱을 쓰는 이 단계가 매우 높은 온도에서 금속을 직접 출력하는 방식보다 재료의 변형과 뒤틀림을 줄인다고 설명한다. 금속 적층제조 시스템과 비교해 재료·장비 비용과 후처리 부담을 낮춘다는 이점도 제시했다.
이 장점은 ‘플라스틱 부품이 금속 부품을 대신한다’는 뜻이 아니다. 플라스틱은 니켈 껍질에 형상을 전달한 뒤 제거된다. 니켈 껍질은 분말을 처리하기 위한 캔이고, 최종 부품은 캔 안에서 형성된다. 자료는 HIP 처리 후 캔을 어떻게 다루는지는 설명하지 않는다.
첫 실증은 원통형 캔 5개
1단계에서 연구진은 높이 6인치, 지름 4인치의 원통형 HIP 캔 5개를 전기주조했고, 다섯 개 모두 누설이 없는 것으로 보고했다. 공정 튜브를 별도로 용접하지 않는 통합 포트 설계도 만들었다. 이는 흔한 고장 원인으로 지목된 별도 공정 튜브 용접을 없앤 것이며, 모든 용접 공정을 없앴다는 의미는 아니다.
현재 진행 중인 2단계의 목표는 더 복잡한 임펠러 또는 원자력 에너지 시스템 관련 밸브 형상에 이 방식을 적용하는 것이다. 지금까지 확인된 결과는 원통형 누설 방지 HIP 캔 5개이며, 복잡한 부품 형상의 결과는 후속 단계의 검증 대상으로 남아 있다.
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