금속 3D프린팅 키홀 기공을 찾는 빛의 무늬

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레이저가 금속 분말을 녹이는 자리에는 눈에 잘 띄지 않는 함몰부가 생길 수 있다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)는 그 표면에서 반사된 레이저 빛의 무늬를 기록해 함몰부의 변화를 살폈다.

AI 개념 이미지: 금속 용융풀에서 반사된 레이저 빛이 돔 안쪽에 무늬를 만드는 원리를 보여준다. 실제 실험 장비를 촬영한 사진은 아니다.

금속 3D프린팅에서 키홀 기공이 남는 과정

금속 3D프린터는 얇게 편 금속 분말을 레이저로 녹여 굳히고, 새 분말층에서 같은 과정을 반복한다. 레이저가 닿은 자리에는 액체 금속 웅덩이인 용융풀이 생긴다.

용융풀 표면의 금속이 기화해 위로 솟으면 반대 방향의 힘이 액체를 아래로 누를 수 있다. 이렇게 파인 자리가 키홀이다. 키홀이 무너지며 빈자리를 가두면, 식은 부품 속에 강도를 해치는 기공이 남을 수 있다.

열이 모자라도 문제다. NIST에 따르면 용융풀이 너무 차가우면 분말이 완전히 융합되지 않고, 너무 뜨거우면 키홀 기공이 생기기 쉽다. 레이저가 금속을 녹이는 동안 서로 다른 결함 가능성을 함께 살펴야 한다는 뜻이다.

형성 순간을 포착하기는 어렵다. NIST에 따르면 이 결함은 머리카락 굵기보다 작고 순식간에 생긴다. 공정도 밀폐된 장비 안에서 진행되므로 가까이에서 들여다보기 힘들다.

밀폐에는 이유가 있다. NIST는 폭발과 부식을 막기 위해 출력 공간을 불활성 기체로 채워야 한다고 설명한다. 레이저도 눈으로 직접 볼 수 없을 만큼 강력해, 용융풀 가까이에서 결함을 눈으로 확인하는 방식은 어렵다.

굽은 표면에 닿은 빛은 반사되며 무늬를 만든다. 물결에 비친 빛이 한곳에 모였다가 퍼지는 것과 비슷하다. 녹은 금속의 표면에서 되돌아온 레이저 빛도 그 표면 모양을 알려주는 단서가 된다.

NIST의 데이비드 다이젠로스는 실험용 금속 3D프린터에서 시료 위에 속 빈 돔을 씌웠다. 레이저는 위쪽의 작은 틈으로 통과하고, 돔 안쪽은 금속에서 반사된 빛 무늬를 받아낸다. 그는 이 무늬를 고속 영상으로 촬영했다.

빛을 받아내는 돔이라고 해서 안쪽이 무조건 반짝여서는 안 된다. NIST에 따르면 지나치게 반사성이 높으면 빛이 여러 번 튀어 무늬가 고르게 보이고, 너무 낮으면 빛 자체가 보이지 않는다. 표면의 변화를 읽으려면 무늬가 구분돼야 한다.

이 장비에서 연구진은 반사광으로 키홀이 형성되는지 판별하고 그 깊이를 추정했다. NIST에 따르면 돔이 레이저 이동 범위를 몇 cm로 제한해, 이 방식은 큰 부품을 출력하는 상용 프린터에 적용할 준비가 아직 되지 않았다.

촬영 속도에도 과제가 남았다. NIST가 사용한 카메라는 초당 6만 프레임을 기록했지만, 반사광의 변화를 완전히 따라잡지 못해 영상에 다소 흔들림이 남았다.

NIST가 제시한 향후 구상 중 하나는 프린터 구석에 작은 접시 모양의 반사판을 두고 되돌아오는 레이저 빛을 측정하는 것이다. 돔에서 확인한 빛 무늬를 다른 배치에서 어떻게 모을지에 관한 아이디어로, 이번 실험에서 입증된 구성은 아니다.

아이컨택은 큰 금속 부품의 출력 중 결함 감시를 검토할 때, 키홀을 읽는 능력과 함께 실제로 관찰할 수 있는 출력 범위를 봐야 한다고 본다. 돔 안의 작은 관찰 범위에서 얻은 결과이기 때문이다.