금속 3D프린팅 기공 결함 분석과 공정 점검 방법

 

본문

금속 3D프린팅 출력물에서 기공은 가장 자주 확인되는 내부 결함 중 하나입니다.
기공은 영어로 Porosity라고 하며, 출력물 내부에 작은 빈 공간이나 구멍이 형성된 상태를 의미합니다.

기공이 많아지면 출력물의 밀도, 기계적 강도, 피로 특성, 기밀성, 내구성에 영향을 줄 수 있습니다.
특히 의료기기, 항공부품, 고온 부품처럼 신뢰성이 중요한 제품에서는 기공 관리가 매우 중요합니다.

기공은 왜 문제가 될까

기공은 단순히 내부에 작은 구멍이 있다는 의미를 넘어서, 파손의 시작점이 될 수 있습니다.
하중이 반복적으로 작용하면 기공 주변에 응력이 집중되고, 그 위치에서 균열이 시작될 수 있습니다.

특히 피로시험을 진행하는 부품에서는 미세한 기공도 결과에 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 금속 3D프린팅 출력물의 품질을 평가할 때는 기공의 크기, 분포, 위치, 원인을 함께 확인해야 합니다.

1. 에너지 밀도 부족

기공의 대표적인 원인 중 하나는 에너지 밀도 부족입니다.
레이저 출력이 낮거나 스캔 속도가 너무 빠르면 금속 분말이 충분히 녹지 못합니다.

이 경우 분말 사이가 완전히 결합되지 않고, 미용융 영역이 남을 수 있습니다.
이러한 미용융 영역은 출력물 내부에서 불규칙한 기공처럼 나타날 수 있습니다.

에너지 밀도는 단순히 레이저 출력 하나로만 결정되지 않습니다.
레이저 출력, 스캔 속도, 해치 간격, 레이어 두께가 함께 영향을 줍니다.

2. 분말 오염

분말 상태도 기공 발생에 큰 영향을 줍니다.
금속 분말에 산화물, 수분, 이물질, 다른 소재 분말이 섞이면 용융 과정이 불안정해질 수 있습니다.

특히 재사용 분말을 사용하는 경우에는 산소 함량 증가, 스패터 혼입, 입도 분포 변화가 발생할 수 있습니다.
이런 변화는 용융풀의 안정성을 떨어뜨리고, 기공이나 결합 불량의 원인이 될 수 있습니다.

3. 불량한 리코팅

PBF 방식에서는 매 레이어마다 금속 분말을 얇고 균일하게 펼치는 과정이 필요합니다.
이 과정을 리코팅이라고 합니다.

리코팅이 불량하면 특정 부위에 분말이 부족하거나, 분말층 두께가 일정하지 않을 수 있습니다.
그 결과 레이저가 조사되어도 일부 영역은 충분히 녹지 않거나, 밀도가 낮은 영역이 생길 수 있습니다.

특히 대형 부품, 복잡한 형상, 리코터 간섭이 있는 출력에서는 리코팅 상태를 주의 깊게 확인해야 합니다.

4. 가스 포집

용융 과정에서 발생한 가스가 빠져나가지 못하고 내부에 갇히면 구형 기공이 생길 수 있습니다.
이를 가스 포집에 의한 기공으로 볼 수 있습니다.

분말 자체에 포함된 가스, 장비 내부 분위기, 용융풀의 흐름, 냉각 속도 등이 영향을 줄 수 있습니다.
기공이 비교적 둥글고 규칙적인 형태라면 가스 포집 가능성을 검토할 수 있습니다.

기공 원인 분석 시 확인할 항목

확인 항목점검 내용

레이저 조건	출력, 스캔 속도, 해치 간격, 레이어 두께 확인
분말 상태	입도 분포, 산소 함량, 재사용 이력 확인
리코팅 상태	분말 도포 균일성, 리코터 간섭 여부 확인
산소 농도	챔버 내부 산소 농도와 가스 흐름 확인
기공 형태	둥근 기공인지, 불규칙한 미용융 기공인지 확인
발생 위치	특정 영역에 집중되는지 전체에 분포하는지 확인

정리

금속 3D프린팅에서 기공은 에너지 밀도 부족, 분말 오염, 불량한 리코팅, 가스 포집 등 다양한 원인으로 발생할 수 있습니다.
기공의 모양과 분포를 확인하면 원인 추정에 도움이 됩니다.

불규칙하고 각진 형태의 기공은 미용융 가능성을, 둥근 형태의 기공은 가스 포집 가능성을 우선 검토할 수 있습니다.
하지만 실제 원인 분석은 출력 조건, 분말 상태, 장비 로그, CT 분석, 단면 분석 등을 함께 확인해야 정확합니다.

금속 3D프린팅 출력불량 분석, 의료기기 시제품 제작, 시험규격 검토, 적층제조 공정 검토가 필요한 경우 댓글 또는 이메일로 문의해 주세요.