광섬유 레이저가 금속 3D 프린팅을 여는 방식: 고출력 핵심 기술 공개

다음과 같은 경우 3D 프린팅 , 플라스틱 장난감이나 수지 피규어는 보셨을지 몰라도, 이제는 항공우주용 티타늄 합금 부품이나 의료 분야의 맞춤형 치과 임플란트까지도 "레이저"를 사용해 한 번에 프린팅할 수 있다는 것을 알고 계셨나요? 이 뒤에는 고포워 파이버 레이저의 핵심 기술이 자리하고 있습니다. 왜 이러한 기술이 금속 3D 프린팅 의 "핵심 엔진"이 될 수 있는지, 그리고 고포워와 고정밀을 어떻게 균형 있게 구현하는지에 대해 오늘 함께 알아보며, 파이버 레이저와 3D 프린팅이 융합된 세계로 들어가 보고 주요 기술들을 하나씩 살펴보겠습니다.

I. 파이버 레이저 + 3D 프린팅: 금속 부품 제조의 재정의

기존의 금속 가공은 금형과 절단 공정에 의존한다. 복잡한 구조물은 종종 다수의 조립 단계를 필요로 하며, 이는 시간이 많이 소요되고 상당한 재료 낭비를 초래한다(기존 절단 공정에서의 재료 활용률은 30% 미만임). 섬유 레이저 3D 프린팅(선택적 레이저 용융, SLM이 대표적임)은 이러한 방식을 완전히 전복시킨다. 이 기술은 금속 분말을 원자재로 사용하며, 고출력 섬유 레이저를 이용해 예정된 경로를 따라 분말을 층 단위로 녹인다. 냉각 후, 각 층이 쌓여 3차원 부품을 형성한다. 전체 공정은 금형이 필요 없으며, 마치 '금속 분말 위에 빛으로 그리듯이, 각 층마다 새로운 분말을 깔고 쌓아 올려 제품을 만드는 것'과 같다.

이 기술의 장점은 고출력 파이버 레이저에 의해 뒷받침됩니다. 파이버 레이저는 매우 높은 품질의 레이저 빔을 출력하며, 발산각이 작고 균일한 스팟(최소 스팟 크기 최대 0.1mm)을 제공하여 터빈 블레이드의 복잡한 유로나 기어의 정밀한 치형과 같은 미세 부품 구조를 정확하게 재현할 수 있습니다. 또한 출력이 수백 와트에서 수 킬로와트에 이르는 넓은 범위에서 제어 가능하여 두께 0.1mm의 얇은 금속 시트부터 50mm 두께의 스테인리스강 판까지 용융 처리할 수 있습니다. 더욱 중요한 것은 파이버 레이저가 25%~30%의 전기-광학 변환 효율을 가지며, 열 방출 성능이 기존 YAG 레이저를 훨씬 상회한다는 점입니다. 장시간 인쇄 작업을 하더라도 과열로 인해 정밀도가 저하되지 않아 항공우주, 의료 등 부품 품질 요구 사양이 엄격한 분야에 이상적입니다.

II. 연구실에서 산업 현장으로: 파이버 레이저 3D 프린팅의 실제 적용 사례

오늘날, 섬유 레이저 3D 프린팅 기술은 기술적 개념에서 벗어나 전통 가공 방식으로 해결할 수 없었던 과제들을 극복하며 고급 제조 분야의 '새로운 도구'로 여러 고부가가치 산업 분야에 진입하고 있습니다.

항공우주 분야에서는 베이항 대학이 섬유 레이저 3D 프린팅을 활용해 항공기용 대형 티타늄 합금 주요 하중 지지 부품을 제작하여 부품 무게를 30% 줄이면서도 강도는 15% 향상시켰습니다. 북서공업대학은 중국 C919 대형 여객기의 중앙 날개 플랜지를 직접 3D 프린팅하여 외국의 기술 독점을 깨뜨리고 중국 항공 제조업이 수입 몰드에 의존하던 상황에서 벗어나게 만들었습니다.

의료 분야에서 치과용 임플란트 및 인공 관절과 같은 맞춤형 의료기기를 섬유 레이저 3D 프린팅을 통해 '수요에 따라 제조'할 수 있다. 환자의 CT 데이터를 기반으로 레이저가 티타늄 합금 분말의 융해 범위를 정밀하게 제어하여 임플란트가 치조골에 완벽하게 맞도록 하며, 수술 위험을 줄이고 치료 주기를 단축시킨다(기존 맞춤형 임플란트는 1개월이 소요되는 반면, 레이저 3D 프린팅은 단 3일만에 가능).

자동차 제조 분야에서 전통적인 공정으로는 엔진 실린더 헤드의 냉각 채널과 같은 복잡한 내부 구조를 만들 수 없지만, 섬유 레이저 3D 프린팅은 이를 한 번에 형성하여 냉각 효율을 20% 향상시키고 부품 무게를 줄이며, 차량의 경량화 설계를 지원함으로써 에너지 소비를 낮추는 데 기여한다.

III. 미래 전망: 섬유 레이저 3D 프린팅, 더욱 '강력해질' 전망

현재 고출력 파이버 레이저는 단일 파이버에서 2kW의 연속 출력을 달성할 수 있으며, 다중 파이버 결합 기술을 통해 10kW를 초과할 수 있습니다. 향후 업그레이드는 두 가지 방향에 집중될 것입니다.

한편으로는 더 높은 정밀도입니다. 포토닉 크리스탈 파이버 기술과 결합하면 레이저 스팟을 0.05mm까지 더욱 작게 만들 수 있어 혈관 스텐트와 같은 마이크로 규모 부품 인쇄가 가능해져 보다 정교한 의료 수요를 충족시킬 수 있습니다.

다른 한편으로는 비용 절감입니다. 국내 개발된 이중 피복 파이버 및 반도체 펌프 소스의 기술적 돌파구로 인해 파이버 레이저 제조 비용이 감소하고 있습니다. 이로 인해 더 많은 중소규모 제조업체로 확대 적용되면서 금속 3D 프린팅이 "고급 맞춤형 생산"에서 "대량 생산"으로 전환될 것으로 기대되며, 자동차 부품 및 금형의 신속 제조 및 수리 등에 활용될 수 있습니다.

대형 항공우주 부품에서부터 미세한 의료 임플란트에 이르기까지, 고출력 파이버 레이저는 금속 부품 제조 방식을 재정의하고 있습니다. 이 기술은 복잡한 구조 가공을 더욱 효율적이고 정밀하게 만들 뿐만 아니라 제조업을 '친환경 및 맞춤형' 발전 방향으로 이끌고 있습니다. 앞으로 우리는 일상생활 속에서 더 많은 '파이버 레이저로 출력된' 금속 부품들을 만나게 될 것입니다—맞춤형 자동차 브레이크 패드, 가정용 하드웨어, 심지어 개인화된 금속 주얼리까지도 말입니다.