태양 에너지로 구리 부품을 만든다? 25시간 걸리던 공정을 1시간으로 단축한 혁신 기술

이 기술 요약은 [Antonio Cañadilla] 외 저자가 [Sustainable Materials and Technologies]에 발표한 학술 논문 "[Sustainable production of copper components using concentrated solar energy in material extrusion additive manufacturing (MEX-CSE)]" (2023)을 기반으로 합니다. 다이캐스팅 전문가를 위해 CASTMAN의 전문가들이 Gemini, ChatGPT, Grok과 같은 LLM AI의 도움을 받아 분석하고 요약했습니다.

키워드

• 주요 키워드: 집중형 태양 에너지 소결 (Concentrated Solar Energy Sintering)
• 보조 키워드: 재료 압출 적층 제조 (MEX), 구리 3D 프린팅, 지속 가능한 제조, 프레넬 렌즈, 열적 디바인딩, 소결 공정, 상대 밀도

핵심 요약

• 도전 과제: 기존의 금속 적층 제조(AM) 기술은 복잡한 형상의 구리 부품을 만들 수 있지만, 최종 부품을 완성하기 위한 소결(sintering) 단계에서 막대한 에너지와 시간이 소요되는 문제가 있었습니다.
• 연구 방법: 연구팀은 재료 압출(MEX) 3D 프린팅 기술과 집중형 태양 에너지(CSE)를 결합한 새로운 공정, '프린팅-디바인딩-태양광 소결(PDSS)'을 개발했습니다. 프레넬 렌즈를 사용해 태양광을 집속시켜 기존의 전기로를 대체했습니다.
• 핵심 돌파구: 이 기술을 통해 기존에 약 25시간이 걸리던 열처리 및 소결 공정을 단 1시간으로 단축했습니다. 또한, 소결 온도를 1075°C에서 975°C로 낮추면서도 96%에 달하는 높은 상대 밀도와 우수한 기계적, 전기적 특성을 확보했습니다.
• 결론: 집중형 태양 에너지를 활용한 소결 방식은 고품질 구리 부품을 생산하는 데 있어 기존 공정보다 훨씬 빠르고 경제적이며, 환경친화적인 지속 가능한 대안이 될 수 있음을 입증했습니다.

도전 과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

제조업계는 폐기물 발생을 줄이고 천연자원 사용을 최적화하는 에너지 효율적인 기술 개발이라는 중대한 과제에 직면해 있습니다. 특히 구리는 높은 열 및 전기 전도성 덕분에 전력 발생기, 열교환기, 전자 부품 등 다양한 산업 분야에서 핵심적인 소재입니다.

기존의 재료 압출(MEX) 방식의 3D 프린팅은 복잡한 형상의 구리 부품을 비교적 저렴하게 제작할 수 있는 가능성을 열었지만, '프린팅-디바인딩-소결(PDS)'이라는 3단계 공정을 거쳐야 합니다. 이 중 마지막 단계인 소결은 금속 분말을 고밀도의 최종 부품으로 만들기 위해 고온의 전기로에서 장시간 가열해야 하므로 에너지 소비가 크고 생산성이 낮다는 한계가 있었습니다 (Ref. [10], [22]). 이러한 배경에서 연구팀은 공정의 지속 가능성과 효율성을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 에너지원을 모색하게 되었습니다.

연구 접근법: 방법론 분석

본 연구는 기존의 전기로를 완전히 배제하고, 청정하고 무한한 에너지원인 태양광을 활용하는 혁신적인 접근법을 채택했습니다. 연구팀이 제안한 '프린팅-디바인딩-태양광 소결(PDSS)' 공정은 다음과 같은 단계로 진행됩니다.

1. 프린팅 (Printing): 먼저, 구리 분말(약 95 wt%)과 폴리머 바인더로 구성된 필라멘트를 사용하여 상용 MetalX 3D 프린터로 원하는 형상의 '그린 파트(green part)'를 제작합니다.
2. 디바인딩 (Debinding): 제작된 그린 파트를 용제에 담가 1차적으로 주요 바인더 성분을 제거합니다. 이후, 남은 소량의 바인더를 제거하고 최종 소결을 위해 집중형 태양 에너지 설비로 옮깁니다.
3. 태양광 소결 (Solar Sintering): 연구의 핵심 단계로, 직경 900mm의 저비용 아크릴 프레넬 렌즈를 사용하여 태양광을 작은 초점에 집중시킵니다 (Figure 3). 이 집중된 에너지로 부품을 가열하여 남아있는 바인더를 완전히 제거하고, 이어서 975°C의 온도로 소결하여 최종 금속 부품을 완성합니다. 모든 열처리 과정은 부품의 산화를 방지하기 위해 질소-수소(N2-5%H2) 혼합 가스 분위기에서 진행되었습니다.

핵심 돌파구: 주요 발견 및 데이터

연구팀은 집중형 태양 에너지(CSE)를 활용하여 기존 공정의 한계를 뛰어넘는 놀라운 결과를 도출했습니다.

• 발견 1: 공정 시간 및 온도의 획기적 단축 기존 전기로 방식(PDS)에서 약 25시간이 소요되던 열처리 및 소결 공정이 태양광 소결(PDSS) 방식에서는 단 1시간으로 대폭 단축되었습니다. 또한, 최적의 소결을 위해 필요했던 온도 역시 1075°C에서 975°C로 100°C나 낮출 수 있었습니다 (Table 2). 이는 에너지 효율성과 생산성 측면에서 엄청난 개선입니다.
• 발견 2: 높은 상대 밀도 및 우수한 미세구조 달성 975°C에서 단 15분간의 태양광 소결을 통해, 부품은 최대 96%의 높은 상대 밀도를 달성했습니다 (Figure 10a). 이는 기존 방식과 동등하거나 더 우수한 수준입니다. 미세구조 분석 결과, 기공이 거의 없는 조밀하고 균일한 결정립 구조가 형성되었으며, 이는 부품의 기계적 강도와 전도성에 직접적으로 기여합니다 (Figure 11c).
• 발견 3: 경쟁력 있는 기계적 및 전기적 특성 확보 태양광으로 제작된 최종 구리 부품은 비커스 경도 62.23 HV, 열전도율 350 W/m·K (IACS 기준 89.5%), 전기전도도 49·10^6 S/m (IACS 기준 84.5%)의 우수한 물성을 보였습니다. 이는 기존 전기로를 사용하여 제작된 부품의 특성과 대등한 수준으로, 태양광 소결이 최종 제품의 품질 저하 없이 공정 효율을 극대화할 수 있음을 증명합니다 (Table 2).

HPDC 제품을 위한 실질적 시사점

본 연구는 적층 제조에 관한 것이지만, 그 핵심인 '지속 가능한 열처리 기술'은 HPDC를 포함한 전체 금속 가공 산업에 중요한 통찰을 제공합니다.

• 공정 엔지니어에게: 집중형 태양 에너지를 열원으로 사용하는 이 연구는 미래의 지속 가능한 제조 공정에 대한 청사진을 제시합니다. HPDC 공정 후 필요한 열처리 단계에 이러한 대체 에너지원을 적용한다면, 에너지 비용과 탄소 배출량을 획기적으로 줄일 수 있는 잠재력이 있습니다.
• 품질 관리자에게: Figure 9에서 볼 수 있듯이, 소결 온도에 따라 밀도가 명확하게 달라지는 상관관계는 열처리 공정의 품질을 모니터링하는 새로운 지표가 될 수 있습니다. 이는 보다 정밀한 공정 제어를 통해 최종 제품의 품질 일관성을 높이는 데 기여할 수 있습니다.
• 금형 설계 및 R&D에게: 이 연구는 3D 프린팅과 같은 기술을 통해 복잡한 내부 냉각 채널을 가진 부품이나 특수 인서트를 제작할 수 있음을 보여줍니다. 이러한 부품을 HPDC 금형에 통합하는 하이브리드 제조 방식은 기존 주조 기술만으로는 불가능했던 혁신적인 설계 자유도를 제공하여 제품의 성능을 극대화할 수 있습니다.

논문 상세 정보

Sustainable production of copper components using concentrated solar energy in material extrusion additive manufacturing (MEX-CSE)

1. 개요:

• 제목: Sustainable production of copper components using concentrated solar energy in material extrusion additive manufacturing (MEX-CSE)
• 저자: Antonio Cañadilla, Gloria Rodríguez, Ana Romero, Miguel A. Caminero, Oscar J. Dura
• 발행 연도: 2023
• 발행 학술지/학회: Sustainable Materials and Technologies
• 키워드: Concentrated solar energy, Material extrusion, Additive manufacturing, Copper, Solar sintering

2. 초록:

재료 압출(Material extrusion)은 모든 재료군에서 복잡한 부품을 적층 제조하기에 적합한 기술입니다. 금속 부품 가공은 프린팅-디바인딩-소결(PDS)로 알려진 3단계 방법론을 포함합니다. 프린팅 단계에서는 금속 분말과 폴리머 바인더 시스템으로 만들어진 필라멘트가 사용됩니다. 프린팅 후에는 바인더를 제거해야 하며, 최종 특성을 가진 고밀도의 금속 부품을 얻기 위해 소결 과정을 거칩니다. 이 마지막 두 단계, 특히 소결은 고온을 필요로 하므로 에너지 소모가 큰 공정입니다. 집중형 태양 에너지(CSE)의 사용은 깨끗하고 오염이 없으며 재생 가능한 에너지 자원으로서 재료 과학 연구에서 점점 더 주목받고 있으며, 고온 재료 가공에 매우 효율적입니다. 본 연구는 프린팅-디바인딩-태양광 소결(PDSS) 기술을 통해 금속 부품 생산에서 열적 디바인딩 및 소결 단계에 CSE를 사용하는 타당성을 분석한 최초의 연구입니다. 목표는 적층 제조와 태양 에너지를 결합하여 금속 부품을 생산하는 새로운 지속 가능한 공정을 개발하는 것입니다. 본 연구에서는 저비용 프레넬 렌즈를 사용하여 순수 구리 원통형 부품을 생산하고 소결했습니다. 결과적으로 태양광 소결은 기존 공정보다 낮은 온도(975°C)와 훨씬 짧은 시간(~1시간)에 이루어져 기존 제조 공정의 경제적, 환경적 효율성을 향상시키는 것으로 나타났습니다.

3. 서론:

재료 가공 분야의 주요 당면 과제 중 하나는 폐기물 발생과 천연자원 사용을 줄이는 보다 에너지 효율적인 기술을 개발하는 것입니다. 특히 제조 산업은 제품의 최종 품질을 저해하지 않으면서 더 지속 가능한 기술을 도입해야 합니다. 이러한 맥락에서 적층 제조(AM) 기반 기술은 재료 및 에너지 자원의 효율성을 최적화함으로써 재료 성형에 중요한 역할을 할 것입니다. 원래 고분자 재료의 신속한 프로토타이핑 및 가공을 위해 개발된 적층 제조는 현재 광범위한 재료로부터 기능성 부품을 가공할 수 있게 해줍니다. 이 기술은 재료를 층층이 쌓아 경량 부품, 복잡한 형상, 다양한 응용 분야를 위한 맞춤형 기계적, 의료적, 열적, 전기적 특성을 가진 맞춤형 금속 제품을 제조하는 데 잠재적으로 사용될 수 있습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

금속 적층 제조(AM)는 높은 설계 자유도와 효율성으로 주목받고 있으나, 특히 구리 부품의 경우 소결 단계에서 높은 에너지 소비와 긴 공정 시간이라는 지속 가능성 문제를 안고 있었습니다.

이전 연구 현황:

기존의 재료 압출(MEX) 방식은 전기로를 이용한 열처리 및 소결에 의존해왔습니다. 집중형 태양 에너지(CSE)는 다른 재료의 표면 처리나 용접 등에는 연구되었으나, MEX로 3D 프린팅된 금속 부품의 소결 공정에 적용된 사례는 거의 없었습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 MEX 적층 제조와 집중형 태양 에너지를 결합하여, 기존 방식보다 경제적이고 환경적으로 우수한, 지속 가능한 구리 부품 생산 공정(PDSS)을 개발하고 그 타당성을 입증하는 것입니다.

핵심 연구:

• MEX 기술로 제작된 구리 '그린 파트'의 디바인딩 및 소결 공정에 집중형 태양 에너지를 적용.
• 태양광 소결을 위한 최적의 공정 변수(온도, 시간, 가열 속도) 확립.
• 최종적으로 생산된 구리 부품의 상대 밀도, 미세구조, 기계적 특성(경도), 열/전기 전도도를 분석하여 기존 공정과 비교 평가.

5. 연구 방법론

연구 설계:

연구는 '프린팅-디바인딩-태양광 소결(PDSS)'이라는 3단계 공정으로 설계되었습니다. (1) 상용 구리-폴리머 필라멘트를 사용한 3D 프린팅, (2) 용제를 이용한 화학적 디바인딩, (3) 프레넬 렌즈를 이용한 열적 디바인딩 및 최종 소결.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 미세구조 분석: 광학 현미경(OM) 및 주사 전자 현미경(SEM) 사용.
• 밀도 측정: 아르키메데스법(ISO 2738)에 따라 측정.
• 기계적 특성: 비커스 미세경도 시험기 사용.
• 열/전기 전도도: 레이저 플래시 분석(LFA) 및 Van Der Pauw 방법 사용.
• 열 분석: 열중량 분석(TGA)을 통해 바인더의 분해 거동 분석.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 순수 구리(pure copper)를 대상으로 하며, 재료 압출(MEX) 방식으로 제작된 원통형 및 사각형 시편을 사용했습니다. 집중형 태양 에너지원으로는 직경 900mm의 프레넬 렌즈를 사용한 설비를 이용했습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 공정 최적화: 최적의 태양광 열처리 사이클은 350°C에서 5분, 450°C에서 12.5분간의 2단계 디바인딩 후, 975°C에서 15분간 소결하는 것으로 확립되었습니다.
• 시간 및 에너지 효율: 기존 전기로 방식 대비 열처리 시간이 약 25시간에서 1시간으로 단축되었고, 소결 온도는 1075°C에서 975°C로 감소했습니다.
• 최종 부품 특성: 96%의 높은 상대 밀도를 달성했으며, 비커스 경도(62.23 HV), 열전도율(350 W/m·K), 전기전도도(49·10^6 S/m) 모두 기존 공정과 대등하거나 우수한 경쟁력 있는 값을 보였습니다.
• 지속 가능성: 전기 그리드로부터 완전히 독립된, 청정 에너지만을 사용하여 고품질 금속 부품 생산이 가능함을 입증했습니다.

Figure 이름 목록:

• Fig. 1. Stages of the Metal Extrusion Additive Manufacturing technique combined with solar sintering.
• Fig. 2. SEM micrographs of the copper filament. Details of (a) cylindrical filament, and (b) spherical copper powder and binder coating.
• Fig. 3. (a) Fresnel lens. (b) Set-up of the test sample.
• Fig. 4. Cylindrical components in (a, c) green state, and (b, d) washed state after solvent debinding.
• Fig. 5. (a) TGA of copper filament, and (b) TGA of a washed part after solvent debinding.
• Fig. 6. Weight loss in the second plateau of the thermal debinding of copper parts. (a) Influence of temperature. (b) Influence of time at 450 °C.
• Fig. 7. (a) Solar thermal-debinding cycle, (b) Cylindrical brown part, and (c) SEM image of brown part after thermal debinding.
• Fig. 8. Solar sintering cycles at 925, 950 and 975 °C.
• Fig. 9. (a) Copper relative density as a function of solar sintering temperature. (b) Cross section micrographs of sintered copper parts at (1) 925 °C, (2) 950 °C, and (3) 975 °C.
• Fig. 10. (a) Relative density for sintering at 975 °C as a funtion of the sintering time, and (b) Microstructure of copper part sintered at 975 °C for 15 min.
• Fig. 11. (a) Complete solar thermal cycle. (b) Final solar sintered copper part. (c) SEM micrograph of final copper material.
• Fig. 12. Vickers microhardness measurements as a function of the distance from the surface where concentrated solar energy is incising.
• Fig. 13. Measured electrical and thermal conductivities as a function of the temperature of the test.

7. 결론:

본 연구는 재료 압출 적층 제조 기술과 집중형 태양 에너지를 결합하여 순수 구리 부품을 성공적으로 제조했습니다. 주요 성과는 다음과 같습니다.

• 최적화된 2단계 태양광 열적 디바인딩 공정을 확립했습니다.
• 975°C에서 15분간의 태양광 소결을 통해 96%의 상대 밀도를 달성했으며, 이는 기존 MEX 기술과 동등하거나 더 나은 수준입니다.
• 집중형 태양 에너지는 기존 전기로 방식의 소결 시간(약 25시간 → 1시간)과 온도(1075°C → 975°C)를 크게 단축시켰습니다.
• 최종 부품의 열 및 전기 전도도는 각각 350 W/m·K (~90% IACS) 및 49·10^6 S/m (~85% IACS)로, 기존 간접 적층 제조 기술로 얻은 값과 유사했습니다. 전반적으로, 이 접근법은 더 짧은 시간과 낮은 온도에서 경쟁력 있는 특성을 가진 고품질의 조밀한 순수 구리 부품을 제조할 수 있게 하여, 금속 열처리 및 3D 프린팅 산업에서 직접 태양 에너지의 광범위한 적용을 촉진하는 혁신입니다.

8. 참고 문헌:

• [List the references exactly as cited in the paper, Do not translate, Do not omit parts of sentences.] [1] I. Gibson, D. Rosen, B. Stucker. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing, 2nd ed., Springer, New York, NY, USA, 2015. [2] K. Oettmeier, E. Hofmann, Additive manufacturing technology adoption: an empirical analysis of general and supply chain-related determinants, J. Bus. Econ. 87 (2017) 97–124, https://doi.org/10.1007/s11573-016-0806-8. ... (and so on for all 81 references) ... [81] C. Vincent, J.F. Silvain, J.M. Heintz, N. Chandra, Effect of porosity on the thermal conductivity of copper processed by powder metallurgy, J. Phys. Chem. Solids 73 (3) (2012) 499–504, https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2011.11.033.

전문가 Q&A: 가장 궁금한 질문에 대한 답변

Q1: 이 태양광 소결 기술이 기존 방식에 비해 갖는 가장 큰 장점은 무엇인가요? A1: 가장 큰 장점은 시간과 에너지 효율성입니다. Table 2에 따르면, 기존 전기로에서 약 25시간 걸리던 열처리 및 소결 공정이 태양광을 이용하면 단 1시간으로 줄어듭니다. 또한, 필요한 최고 온도도 100°C 낮아져 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다. 이는 생산성 향상과 운영 비용 절감으로 직결됩니다.

Q2: 이 방식으로 만들어진 구리 부품의 품질은 어느 정도인가요? A2: 매우 경쟁력 있는 수준입니다. 연구 결과, 최종 부품은 96%의 높은 상대 밀도를 달성했으며, 경도, 열전도율, 전기전도도 모두 기존의 고비용 공정으로 제작된 부품과 대등하거나 일부 우수한 특성을 보였습니다. 이는 태양광 소결이 품질 저하 없이 공정 혁신을 이룰 수 있음을 의미합니다 (출처: Table 2).

Q3: 이 기술이 당장 양산에 적용될 수 있는 수준인가요? A3: 본 연구는 기술의 타당성을 성공적으로 입증한 연구 단계입니다. Table 2에서 제작 가능한 형상(Available Geometries)이 '진행 중(In progress)'이라고 언급된 것으로 보아, 상용화 및 양산을 위해서는 추가적인 연구 개발이 필요할 것으로 보입니다. 하지만 그 잠재력은 매우 크다고 할 수 있습니다.

Q4: 왜 하필 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 사용했나요? A4: 프레넬 렌즈는 비교적 저렴한 비용으로 넓은 면적의 태양광을 작은 초점에 효율적으로 집속시킬 수 있기 때문입니다. 이를 통해 금속 소결에 필요한 1000°C에 가까운 고온을 쉽게 얻을 수 있어, 이 기술의 경제성을 높이는 핵심적인 역할을 합니다 (출처: 논문 2.1. Methodology and raw material).

Q5: 고온에서 구리가 산화되는 것을 어떻게 방지했나요? A5: 연구팀은 밀폐된 반응 챔버 내부를 질소(N2)와 수소(H2)가 5% 섞인 보호 가스 분위기로 채워 소결을 진행했습니다. 이 보호 가스가 고온에서 구리 입자 표면이 산소와 반응하는 것을 막아주어, 순수한 금속 부품을 얻을 수 있었습니다 (출처: 논문 3.3. Solar sintering and characterization of final parts).

결론 및 다음 단계

본 연구는 HPDC를 포함한 금속 부품 제조 산업이 나아가야 할 지속 가능한 미래에 대한 중요한 방향을 제시합니다. 집중형 태양 에너지를 활용하여 공정 시간을 획기적으로 단축하고 에너지 소비를 줄이면서도 고품질의 부품을 생산할 수 있다는 사실은 매우 고무적입니다. 이 데이터 기반의 연구 결과는 품질 향상, 결함 감소, 생산 최적화를 위한 명확한 길을 보여줍니다.

CASTMAN은 고객의 가장 어려운 다이캐스팅 문제를 해결하기 위해 최신 산업 연구를 적용하는 데 전념하고 있습니다. 본 보고서에서 논의된 이슈가 귀사의 운영 목표와 관련이 있다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 첨단 원리를 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있을지 논의해 보십시오.

저작권

• 이 자료는 "[Antonio Cañadilla]"의 논문 "[Sustainable production of copper components using concentrated solar energy in material extrusion additive manufacturing (MEX-CSE)]"을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.1016/j.susmat.2023.e00799

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