산업용 초경합금 3D 프린팅: 더 단단하고, 더 빠르고, 더 친환경적입니다

우리가 사는 세상을 만드는 도구들은 종종 우리 눈에 보이지 않지만, 현대 문명의 조용한 버팀목입니다. 도시의 기반 시설을 구축하는 고정밀 드릴부터 차량 부품을 정밀하게 가공하는 절삭날에 이르기까지, 이러한 도구들의 내구성 비결은 바로 특정 소재에 있습니다. 텅스텐 카바이드-코발트이 초경합금은 인간에게 알려진 가장 단단한 물질 중 하나로, 인성 면에서 다이아몬드 바로 아래에 위치합니다. 하지만 이처럼 뛰어난 강도 때문에 제조 과정이 매우 어렵고 자원 낭비가 심한 것으로 악명 높습니다.

연구¹ 히로시마 대학 연구팀은 미쓰비시 머티리얼즈 하드메탈 주식회사와 협력하여 새로운 혁신을 이뤄냈습니다. 3D 프린팅으로 널리 알려진 적층 제조 기술과 특수 열선 레이저 방식을 결합하여, 기존 방식만큼 견고하면서도 폐기물을 크게 줄인 산업용 부품을 생산하는 방법을 개발했습니다. 이 연구 성과는 공장 현장에 긍정적인 영향을 미칠 뿐만 아니라, 고성능 소재를 보다 쉽게, 지속 가능하게, 그리고 맞춤형으로 활용할 수 있는 미래를 제시합니다.

텅스텐 카바이드로 3D 프린팅하기 어려운 이유는 무엇일까요?

전통적으로 텅스텐 카바이드-코발트 소재로 부품을 제작하는 것은 매우 힘들고 비용이 많이 드는 공정입니다. 이 공정은 분말 야금에 기반하는데, 금속 분말을 엄청난 압력으로 압축한 후 소결이라는 과정을 통해 결합시키는 방식입니다. 이 과정을 통해 매우 단단한 공구를 만들 수 있지만, 공정 자체가 경직되어 복잡하거나 큰 형상을 제작하기 어렵고, 값비싼 원자재인 텅스텐과 코발트가 상당 부분 낭비됩니다.

이러한 원자재의 높은 가격은 주요 장애물입니다. 텅스텐은 희귀하고 비싸며, 코발트는 공급망이 불안정한 핵심 광물입니다. 지속가능성과 자원 효율성이 무엇보다 중요한 시대에, 재료 덩어리에서 필요 없는 부분을 깎아내는 기존의 절삭 가공 방식은 점점 시대에 뒤떨어진 것으로 여겨지고 있습니다.

열선 레이저 방식을 이용하여 탄화텅스텐을 3D 프린팅하는 방법

히로시마 대학 연구팀의 혁신은 금속 3D 프린팅에 대한 우리의 사고방식을 미묘하지만 심오하게 바꾸는 데 있습니다. 대부분의 금속 3D 프린터는 고에너지 레이저로 금속 분말이나 와이어를 완전히 녹이는 방식으로 작동합니다. 그러나 텅스텐 카바이드(W2C)를 이 방식으로 프린팅하려고 하면 극심한 열로 인해 재료가 W2C와 흑연으로 분해되어 미세한 구멍과 균열이 생기고, 텅스텐 카바이드의 가치를 결정짓는 경도가 손실됩니다.

연구진은 재료의 본질적인 성질과 싸우는 대신 열선 레이저 방식을 사용했습니다. 이 방식에서는 초경합금 막대를 레이저에 도달하기 전에 전류를 흘려 녹는점에 가까운 온도로 예열합니다. 그런 다음 레이저는 재료를 부드럽게 만드는 데 필요한 만큼의 추가 열을 가하여 층층이 쌓아 올릴 수 있도록 합니다.

연구팀은 재료를 완전히 녹이는 대신 연화시키는 방식을 통해 탄화텅스텐의 미세한 구조를 보존하는 데 성공했습니다. 코발트 결합제의 녹는점보다 높지만 탄화텅스텐이 분해되기 시작하는 임계점보다 낮은 온도를 유지함으로써, 기존 산업용 공구와 같은 수준의 1400 HV 이상의 경도를 가진 결함 없는 고체 물질을 생산할 수 있다는 것을 발견했습니다.

WC-Co 카바이드 적층 제조 결함 해결

이 연구에서 가장 뛰어난 점 중 하나는 초경질 탄화물과 인쇄 대상 재료 사이의 상호작용을 다룬 방식이었습니다. 일반적인 철판에 직접 인쇄하려고 했을 때, 철이 탄화물 내부로 침투하여 강도를 저하시키는 문제가 발생했습니다.

해결책은 니켈 기반 합금으로 만들어진 중간층을 도입하는 것이었습니다. 이 층은 완충재 역할을 하여 기저 재료가 탄화물을 오염시키는 것을 방지하고 최종 제품이 순수하고 강하게 유지되도록 합니다. 이러한 다중 재료 접근 방식은 3D 프린팅의 핵심 트렌드로, 엔지니어는 값비싼 고성능 재료를 공구의 절삭날처럼 정말 필요한 부분에만 사용하고 나머지 부분에는 저렴한 재료를 사용할 수 있게 해줍니다.

3D 프린팅으로 탄화텅스텐을 제작하는 것이 제조 방식을 혁신할 수 있는 이유는 무엇일까요?

이 기술의 잠재력은 실험실을 훨씬 넘어섭니다. 이러한 방법들이 더욱 복잡한 형상을 처리하고 균열 문제를 해결하도록 정교해짐에 따라, 우리 세계에 미치는 영향은 엄청날 것입니다.

• 주문형 산업 복원력: 외딴 광산 현장이나 건설 현장에서 중앙 창고에서 부품이 배송될 때까지 몇 주씩 기다릴 필요가 없는 세상을 상상해 보세요. 첨단 3D 프린팅 기술을 활용하면 중요하고 매우 단단한 부품을 필요할 때 현장에서 직접 제작할 수 있습니다.
• 지속가능성과 자원 안보: 특정 부품에 필요한 정확한 양의 텅스텐과 코발트만 사용함으로써, 광물 채굴에 대한 의존도를 획기적으로 줄이고 산업 폐기물을 최소화할 수 있습니다. 이는 재료를 최대한 효율적으로 사용하는 순환 경제를 향한 중요한 단계입니다.
• 차세대 디자인: 기존 제조 방식은 우리가 만들 수 있는 것에 한계를 두었습니다. 3D 프린팅은 이러한 제약을 없애고, 이전에는 제조가 불가능했던 내부 냉각 채널, 복잡한 형상, 최적화된 무게를 갖춘 도구를 제작할 수 있도록 해줍니다. 이는 더욱 효율적인 기계, 경량화된 차량, 그리고 더욱 견고한 기반 시설로 이어집니다.

산업용 3D 프린팅 및 첨단 소재에 투자하기

산업 부문이 더욱 스마트하고 효율적인 생산 방식으로 전환함에 따라, 이러한 전환에 필요한 하드웨어와 소재를 제공하는 기업들은 상당한 성장을 이룰 전망입니다. 금속 3D 프린팅 및 고성능 소재 분야의 발전에 투자하고자 하는 투자자들에게 있어, 이 분야의 주요 기업으로 눈에 띄는 곳이 하나 있습니다.

주목할 만한 제품: 나노 차원 (NNDM )

많은 3D 프린팅 업체들이 소비재용 플라스틱이나 단순 금속에 집중하는 반면, 나노 디멘션은 고성능 산업용 분야에서 선두주자로 자리매김했습니다. 이 회사는 최근 주요 전략적 변화를 단행했습니다. 데스크탑 메탈 구매금속 바인더 제팅 및 첨단 소재 증착 분야의 선구자입니다.

이번 인수를 통해 나노 디멘션은 산업용 적층 제조 분야의 종합 솔루션 제공업체로 발돋움했습니다. 데스크톱 메탈의 기술은 이미 연구원과 제조업체들이 히로시마 대학 연구에서 강조된 것과 같은 초경합금 응용 분야를 탐구하는 데 활용되고 있습니다. 나노 디멘션은 전자제품 3D 프린팅 분야의 전문성과 데스크톱 메탈의 견고한 금속 플랫폼을 결합하여 신속한 프로토타이핑부터 대량 생산까지 모든 것을 아우르는 풀스택 솔루션을 구축하고 있습니다.

재정적으로 볼 때, 이 회사는 최근 인상적인 성장세를 보였습니다. 신고 매출이 전년 대비 81% 증가했습니다. 나노디멘션은 업계가 여전히 고성장, 고투자 단계에 있는 가운데, 방대한 특허 포트폴리오와 항공우주, 자동차, 방위산업과 같은 핵심 분야에 대한 집중적인 투자를 통해 미래 제조 산업에 투자하고자 하는 투자자들에게 매력적인 선택지가 되고 있습니다. 연질 용융 열선 접합법과 같은 기술들이 연구실에서 생산 라인으로 옮겨감에 따라, 이러한 첨단 공정을 지원할 인프라를 갖춘 기업들이 주목받을 것입니다.

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참조 :

^{1. 마루모토, K., 아베, T., 나가모리, K., 이치카와, H., 니시야마, A., & 야마모토, M. (2026). WC-Co 초경합금 적층 제조에서 열선 레이저 조사법과 Ni계 합금 중간층이 기계적 특성 및 미세구조에 미치는 영향. 내화 금속 및 경질 재료 국제 저널, 136, 제107624조. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2025.107624}