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1m 크기 부품도 만든다…3D 프린터로 만든 타이어 칼날

한국원자력연구원이 개발한 금속 3D 프린터가 티타늄 합금 블레이드의 손상부를 복원하고 있다. 사진 한국원자력연구원

한국타이어앤테크놀러지(한국타이어) 직원들은 지난해 대전에 있는 한국원자력연구원을 찾아갔다. 정부 출연 연구기관인 원자력연구원에서 세계 최초로 ‘1m 크기 부품 제작용 분말 소결 방식(PBF) 3D 프린터’를 개발했다는 소식을 알게 된 직후였다.

PBF는 얇게 펼친 분말에 레이저나 전자빔을 정밀하게 쏘아 형상을 만드는 방식이다. 이렇게 하면 녹은 분말을 고체화해 겹겹이 쌓을 수 있어 복잡한 형상의 정밀부품 생산에 유리하다. 다만 그동안 PBF 장비로 제조할 수 있는 부품 크기가 최대 0.5m에 불과해 산업 현장에서 활용하는 데 한계를 보였다.

김현길 원자력연구원 박사팀은 이 같은 제약을 없애기 위해 프린터 핵심 부품인 레이저 소스와 스캐너 두 세트를 나란히 연결하는 기술을 새로 고안했다. PBF의 장점인 높은 정밀도를 유지하려면 두 레이저가 중첩되는 부분에 대한 정밀 제어가 관건인데, 연구진은 열 등에 따른 변형을 예측해 연결 부위를 결함 없이 매끄럽게 만들었다. 이렇게 개발된 프린터는 가용 범위를 가로 기준 1m로 늘렸다.

그래픽=김주원 기자 zoom@joongang.co.kr
연구진은 프린터를 활용해 니켈 합금 소재로 원전 열교환기와 임펠러 등 시작품 5종을 만드는 데 성공했다. 이런 소식을 들은 한국타이어는 타이어 수지를 반복해서 절단하는 블레이드(칼날)를 수리하기 위해 원자력연구원 문을 두드렸다. 이전에는 마모나 손상된 블레이드는 바로 폐기했다.

이번 기술 개발로 한국타이어는 블레이드를 반복 사용할 수 있게 됐고, 스테인리스 소재보다 고가인 합금 사용을 줄일 수 있어 경제성을 높이고 자원 절약을 할 수 있게 됐다. 김현길 박사는 “3D 프린터 산업은 장비만 있다고 성공하는 게 아니라 한국타이어처럼 어떤 부품에 필요한지 정확하게 수요를 파악하는 게 중요하다”고 말했다.

원자력연구원에 따르면 미래에 상용화될 소형모듈원자로(SMR)에도 기존 원자력발전소보다 작은 부품이 들어가 3D 프린터를 이용한 합금 부품이 다수 들어갈 예정이다. 김 박사는 “수백 개 부품을 수십 개로 줄여 조립 공정을 단순화해 생산 효율을 높이는 게 차세대 발전소의 핵심”이라며 “원료 물질 재활용 등 미국 GE와 같은 상용화 단계까지 가려면 아직 여러 단계가 남았다”고 전했다.

사진 왼쪽부터 마모로 손상된 블레이드, 3D 프린팅 기술로 복원된 블레이드, 후가공을 통해 더욱 날카로워 진 블레이드. 사진 한국원자력연구원



김민상(kim.minsang@joongang.co.kr)

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