[3탄]“AM 품질, 어디까지 검증했나요?” – 재료와 공정에서 시작하는 적층제조 신뢰성 전략

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이 뉴스레터는 총 7회에 걸쳐 연재되는 AM 품질관리 시리즈의 3번째 편입니다.

안녕하세요! 오늘도 적층 제조(Additive Manufacturing, AM)의 세계를 함께 깊이 있게 탐험해볼까요? 빠르게 발전하는 이 분야에서 중요한 이슈를 하나씩 짚어보며 인사이트를 나누는 이 시간이 정말 즐겁습니다. 이번 뉴스레터는 세 번째 이야기로, AM 부품의 신뢰성을 높이기 위한 핵심 요소인 재료와 공정 검증에 대해 다루겠습니다. 지난 호에서는 AM 기술의 개요와 표준화의 중요성에 대해 알아보았죠. 이번에는 한 걸음 더 나아가, 실제 적용을 위한 검증 전략을 본격적으로 살펴보려 합니다.

🧪 재료 검증: AM의 시작점

"재료가 좋아야 제품도 좋다"는 말, 많이 들어보셨을 겁니다. AM도 예외는 아닙니다. 사용되는 재료의 물리적, 화학적 특성을 정확하게 이해하고, 이에 기반한 신뢰성 높은 데이터를 확보하는 것이 필수입니다. AM은 공정 방식, 장비, 형상, 파라미터 등에 따라 같은 재료라도 특성이 크게 달라지기 때문에, 표준화된 데이터 수집과 분석이 더욱 중요합니다.

📊 설계 허용값: 신뢰의 기준선

**재료 허용값(Material Allowables)**과 **설계 허용값(Design Allowables)**은 제품 설계에 있어 안전성과 신뢰성을 담보하기 위한 기준 수치입니다. 항공우주나 의료기기처럼 안전이 중요한 산업에서는 매우 보수적으로 접근해야 하며, 특히 AM에서는 공정 변수의 다양성과 변동성으로 인해 이 값을 도출하는 것이 쉽지 않습니다.

전통 제조에서는 A-Basis(95% 신뢰수준에서 99% 이상의 부품이 기준 이상) 및 B-Basis(95% 신뢰수준에서 90% 이상) 데이터를 활용하지만, AM에서는 충분한 샘플과 조건 통제가 어렵기 때문에 이 기준을 만족하기 위한 과정이 복잡하고 도전적입니다.

🔍 정적 특성 vs 피로 성능

정적 특성은 한 번의 하중에서 견디는 능력(예: 인장 강도, 항복 강도)을 의미하며, 많은 경우 AM 재료는 이 측면에서 기존 재료와 동등하거나 우수한 성능을 보이기도 합니다. 그러나 반복 하중에서의 내구성을 의미하는 **피로 성능(fatigue performance)**은 별개의 문제입니다.

표면 거칠기나 내부 결함(예: 기공, 용융 부족)은 피로 수명을 크게 단축시킬 수 있으므로, 단순한 정적 특성으로는 전체 성능을 판단하기 어렵습니다. 피로 특성까지 고려한 설계와 검증이 필수입니다.

📈 피로 수명의 변동성

AM 재료는 피로 수명에서 **큰 변동성(scatter)**을 보입니다. 이는 주로 균열 발생 위치가 되는 내부/표면 결함의 다양성과 크기, 분포에 기인합니다. 어떤 부품은 내부 기공이 많고, 어떤 것은 거의 없기 때문에 성능 차이가 큽니다.

이를 개선하기 위한 대표적 후처리 방법이 바로 **HIP(Hot Isostatic Pressing)**입니다. 고온 고압 환경에서 내부 결함을 줄여 피로 수명과 파괴 저항을 높이는 효과가 있으며, 재료별로 최적의 조건 설정이 필요합니다.

⚙️ 공정 변수의 영향력

AM은 공정 조건에 따라 재료 특성이 민감하게 달라지는 대표적인 기술입니다. 대표 변수로는 다음과 같은 요소들이 있습니다:

각 변수는 개별적으로도 중요하지만, 상호작용에 따라 예기치 않은 결과를 낳을 수 있으므로 통합적 관리가 요구됩니다.

🧪 시험편 vs 실제 부품 성능

실험실 조건에서 제작한 시험편(specimen)으로 얻은 재료 데이터는 특정 조건에서의 특성만을 반영합니다. 그러나 실제 부품(component)은 형상이 복잡하고 열이력, 응력 조건 등이 달라 결과가 크게 다를 수 있습니다.

특히 의료기기나 항공기 부품처럼 고난이도 형상을 가진 경우에는 시험편의 대표성이 떨어지므로, 실제 부품을 대상으로 한 파괴 시험, 비파괴 검사 등 다양한 검증 방법이 요구됩니다.

🧾 공정 검증과 자격 부여: 일관된 신뢰 확보

신뢰도 높은 AM 부품을 안정적으로 생산하려면 공정 자체의 검증이 필수입니다. 이에 사용되는 것이 바로 IQ(설치 적격성), OQ(운영 적격성), PQ(성능 적격성) 세 가지 단계입니다.

ISO/ASTM 52930 및 52920 등 표준은 이러한 공정 자격 부여 요건을 상세히 정의하고 있으며, 장비, 재료, 공정 파라미터, 후처리 조건 등을 포함해 전체 공정을 체계적으로 검증할 수 있도록 합니다.

🧭 최적 공정 윈도우: 예측 가능한 생산의 조건

AM 생산의 핵심은 최적 공정 윈도우(optimal process window) 설정과 일관된 유지입니다. 이 윈도우는 다양한 변수 조합 중 원하는 품질을 달성할 수 있는 안정 영역을 의미하며, 이를 정의하고 유지하는 것이 신뢰성 있는 부품 생산의 핵심입니다.

현재까지는 다양한 변수의 상호작용에 대한 충분한 이해가 부족하기 때문에, 기업과 기관에서는 자체 데이터를 바탕으로 최적 공정 조건을 도출하고 있으며, 이에 대한 표준화 노력도 계속되고 있습니다.

오늘은 이렇게 AM 검증 전략의 첫 번째 핵심 축인 재료와 공정에 대해 살펴보았습니다. 다음 뉴스레터에서는 핵심 요소별 검증 전략: 부품 생산 계획 및 관리를 주제로, 실제 제조 현장에서 AM 부품의 품질을 안정적으로 확보하기 위한 계획 수립, 빌드 전략, 생산 추적 관리 체계 등 실무 중심의 내용을 이어가겠습니다. 

질문이나 다루었으면 하는 주제가 있다면 언제든지 알려주세요. 다음 호에서 다시 뵙겠습니다!

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