최근에는 3D 프린터 기술 발달에 의해 집이나 강철 다리, 스텔스기 금속 부품까지 3D 프린터로 만들어지고 있지만 일부 물질은 3D 프린터 중 온도 변화에 의해 특성에 변화해 버리기 때문에 출력에 사용할 수 없었다. 미국국립표준기술연구소 NIST와 위스콘신대학 매디슨, 아르곤국립연구소 연구팀이 기존에는 곤란했던 17-4 PH 스테인리스강(SUS630) 특성을 유지하면서 3D 인쇄하는 방법을 개발했다.
17-4 PH 스테인리스 스틸 크롬 함유량은 17%, 니켈 함유량이 4%인 것으로 명명된 스테인리스강 일종이며 부식하기 어렵고 강도도 높은 게 특징이다. 이 때문에 염분을 포함한 해수에 노출되는 선박이나 원자력 산업, 제지산업, 그 외 정밀 기계 부품 등에 널리 이용되고 있지만 지금까지 금속 3D 프린터로 17-4 PH 스테인리스를 취급하는 건 곤란했다.
금속 3D 프린터에선 일반적으로 깔린 금속 분말을 용접하거나 금속을 녹여 적층시켜가기 때문에 공정 중 금속이 급속 냉각된다. 이 극단적인 온도 변화에 의해 재료 내 원자 배열이 시프트해버려 결정 구조가 변화해 재료 본래 특성이 없어져 버리는 일이 있다고 한다. 17-4 PH 스테인리스강에 있어선 합금 급냉에 의해 얻어지는 마르텐사이트(martensite)라는 조직이 특성 열쇠가 되지만 마르텐사이트를 유지한 채로 금속 3D 프린터로 성형하는 건 어려운 일이었다.
따라서 연구팀은 금속 3D 프린터 중 온도 변화로 무슨 일이 일어나는지 밝히기 위해 싱크로트론 X선 회절 XRD라는 수법으로 내부 구조 변화를 분석했다. 연구팀은 XRD에선 X선이 물질과 상호작용해 물질 고유 결정 구조에 대응하는 지문과 같은 신호를 형성한다고 설명했다.
연구팀은 아르곤국립연구소 고에너지 X선 광원 시설(Advanced Photon Source)을 이용해 3D 프린트 중 17-4 PH 스테인리스강에 있어선 결정 구조 변화를 맵핑해 분말 금속 조성이라는 제어 요인이 프로세스 전체에 미치는 영향을 분석했다.
실험 결과 철과 니켈, 구리, 크롬을 포함한 스테인리스강 조성물을 제어해 기존 방법으로 제조된 17-4 PH 스테인리스강 특성을 유지하면서 3D 인쇄할 수 있는 게 판명됐다. 또 기존 조성물에서 강철 냉각과 재가열을 필요로 하는 강도를 증가시키는 나노입자 형성이 3D 프린팅만으로 가능하다는 걸 확인했다. 3D 인쇄한 17-4 PH 스테인리스강은 기계적 시험에 의해 기존 17-4 PH 스테인리스강과 동등한 강도를 갖는 게 확인됐다고 한다.
연구팀은 합금 3D 인쇄에선 조성 제어 키라며 초당 1,000∼1,000만도라는 폭넓은 냉각 속도로 일관되게 마르텐사이트를 유지하는 17-4 PH 스테인리스강이 되는 걸 나타낸다고 밝혔다.
3D 프린팅 중 결정 구조를 분석하는 XRD 기반 접근법은 17-4 PH 스테인리스강 외 합금에서 3D 프린트에 최적화하고 3D 인쇄된 물질 품질을 예측하는 컴퓨터 모델 개발에도 도움이 될 수 있다. 연구팀은 만든 17-4 PH 스테인리스강은 신뢰도와 재현도가 높기 때문에 상업적 장애물이 낮다며 구성에 따라 제조업체는 기존 제조 부품과 마찬가지로 17-4 PH 스테인리스강을 인쇄할 수 있다고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.