쾌속 성형법(Rapid Prototyping)


1. 개요

쾌속 조형 법으로도 불리는 쾌속 성형 법 (Rapid prototyping)은 약 10 년전에 개발되어 그 동안 많은 관심을 끈 제품 성형방법이다. 이 방법은 제품 설계에서부터 시제품 제작과 완제품의 대량생산까지 도달하는데 필요한 시행착오를 컴퓨터를 기반으로 통합하면서 제품 생산시간을 단 축하는 것이 특징이다. 특히 세라믹스 분야에서는 실제에 가까운 모양 (near net shape)으로 만들 수 있다는 또다른 장점이 있다.

쾌속 성형 법은 원래 고분자나 금속 모형을 만드는 목적으로 출발하였기 때문에 금속과 기계 분야에서 많은 발전을 보였다. 그 동안 이런 분야에서 개발된 쾌속 성형법의 예를 보면 다음과 같다 [1].

물론 이같은 방법들이 모두 세라믹스를 성형하는데 이용되는 것은 아니며, 자신이 원하는 재 료나 제품의 모양에 알맞은 방법을 선택해야 한다. 세라믹스 분야에서는 론 피크 엔지니어링 사 (Loan Peak Engineering Inc, Draper, Utah)의 LOM(Laminated objective engineering manufacturing) 기술, MIT에서 개발하고 솔리젠 사(Soligen Inc.)가 캐스팅할 때 사용하는 쉘 (shell)과 코어(core)를 만들기 위한 3 차원 프린팅 공정(3-D printing process), 세라믹 원형 (prototype)을 만드는 CAD-LEM 사의 CAD-LEM 기술, 스트라타시스 사(Stratasys Ins.)가 고분 자나 왁스 제품을 만들기 위해 상업화한 융착 모델링(fused deposition modeling, FDMTM)등이 잘 알려져 있다. 이밖에도 3D 시스템 사(3D system Inc.)의 스테레오리소그라피(Streolithography), 스파크 사(Sparx, Inc.)의 테스크 탑 공정 (Desktop Manufacturing, Hot PlateTM), DTM 사의 선 택 레이저 소결법 (Selective Laser Sintering), 선택 레이저 증착법(Selected Area Laser Deposition), 델라웨어 대학 (University of Delaware)의 레이저 고화법 (Laser Assisted Thermoplastic Tape Consolidation), 큐비탈 사 (Cubital America, Inc.)의 솔리드 그라운드 기술 (Solid Ground Curing Technology)등이 있다. 다음은 세라믹스 부품을 쾌속 성형법으로 만들고자 할 때 선택에 도움이 될 수 있는 연구사례들이다.


2. 쾌속 성형 법에 의한 세라믹스 부품 제조 예

▶ 세라믹스 융착법에 의한 질화규소 부품 제조

세라믹스 융착법 (FDC, fusion deposition of ceramics)은 FDMTM을 세라믹스 부품 제조에 응용한 것이다. FDMTM의 실제 공정을 살펴보면, 먼저 아주 작은 지름을 갖는 고분자나 왁스 필 라멘트가 컴퓨터로 움직이는 액화기 (liquifier head)로 들어간다. 이 액화기는 x-y 평판을 수평으 로 움직이고, 플랫폼 (build platform)은 z 축 방향으로 움직이기 때문에, 전체적으로 3 차원 방향 으로 원하는 대로 움직일 수 있게 되어 있다. 액화기로 들어간 필라멘트는 융용 점보다 약간 높 은 온도로 가열되어 녹으며, 액화기 끝에 있는 노즐을 통해 압출되면서 원하는 모양을 층층히 쌓 아 올린다. 물론 액화기의 움직임은 CAD 파일의 자료에 따라 조절되기 때문에 최종적으로 원하 는 모양을 얻게 된다.

복잡한 모양을 가지며, 치밀하게 소결된 질화규소 제품을 다음 예 [2]에서 볼 수 있는 것과 같이 융용 증착법 (fused deposition of ceramics, FDC)으로 빠르게 만들 수 있다.

먼저 세라믹스 부품을 만들기 위해선 세라믹스 성분을 포함한 필라멘트를 만들어야 한다. 필 라멘트는 공정에 적합한 기계적-, 열적 특성을 가져야 하며, 가장 중요한 것은 필라멘트의 점도 (viscosity), 곡률 (flexural modulus), 강도, 그리고 접합/접착 (adhension/bonding) 특성이다. 즉, 녹은 상태에서 쉽게 압출될 정도로 점도가 충분히 낮아야 하면서도 융착되는 넓이가 원하는 대로 잘 조절될 정도가 되어야 한다. 그리고 액화기에 연속적으로 집어넣기 위해서 필라멘트를 통에 감아야 하며, 이 때문에 유연성을 갖고 있어야 한다. 또 필라멘트를 푸는 동안 부러지는 것을 막 기 위해 강도도 있어야 한다. 한편, 필라멘트는 액화기에서 녹은 액상을 작은 노즐을 통해 미는 역할도 해야 하기 때문에, 충槿