Finite Element Simulation of Microwave Technologies for PowderBased Volumetric Additive Manufacturing Processes

제조업은 오랫동안 단순하고 느린 원리, 즉 물체를 층층이 쌓아 올리는 방식에 의존해 왔습니다. 금속을 성형하든 플라스틱을 경화시키든, 전통적인 3D 프린터는 재료를 얇은 단면으로 층층이 쌓아 올려 최종 물체가 나타날 때까지 하나씩 쌓아 올리는 방식으로 작동합니다. 이 방법은 놀라운 복잡성을 구현할 수 있게 해주지만, 본질적으로 시간이 많이 소요되며 쉽게 녹이거나 접착할 수 있는 특정 재료로 제한되는 경우가 많습니다. 이 제약을 깨기 위해 노력하는 더 야심 찬 새로운 접근 방식인 체적 부가 제조(volumetric additive manufacturing)는 층이 쌓이기를 기다리는 대신 전체 부피의 재료를 한 번에 고체화하는 것을 목표로 합니다. 현재 이 기술은 빛을 받으면 굳는 액체 수지에는 잘 작동하지만, 빛을 산란시키고 불투명한 상태를 유지하는 금속 및 세라믹 제조용 분말에는 적용하기 어렵습니다. 문제는 이 분말들을 전체 덩어리로 녹여버리지 않으면서도 복잡한 형상으로 융합할 수 있을 만큼 정밀하게 가열하는 방법을 찾는 것이었습니다.

빅토리아 대학교의 연구팀은 빛 대신 마이크로파를 사용하는 방식을 탐구함으로써 이 문제를 해결하는 데 중요한 진전을 이루었습니다. 일련의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, 그들은 마이크로파 에너지를 용기 내부의 분말 속에 특정 패턴으로 형성하여 필요한 부분만 융합하는 격자 형태의 핫스팟(hot spots)을 만들 수 있는지 조사했습니다. 그들의 연구는 세 가지 서로 다른 장치 설계를 중심으로 진행되었으며, 각 설계는 이러한 열 패턴을 독특한 방식으로 공학적으로 설계하려고 시도했습니다. 목표는 단순히 분말을 녹이는 것이 아니라, 나중에 털어낼 수 있는 느슨한 미융합 분말에 둘러싸인 정교한 3차원 네트워크인 '열 격자(thermal lattices)'를 만드는 것입니다. 이를 통해 이전에는 이런 방식으로 출력하는 것이 불가능했던 재료들로 가볍고 강한 구조물을 제작할 수 있게 될 것입니다.

연구진이 모델링한 첫 번째 장치는 선형 공진기(linear resonator)로, 기본적으로 마이크로파가 앞뒤로 왕복하며 정상파를 만드는 긴 관 형태입니다. 두 파동이 만나 고정된 패턴으로 결합할 때 연못에 생기는 물결을 상상해 보십시오. 연구진은 이 원리를 이용하여 세라믹 분말로 채워진 관 안에 에너지를 배치했습니다. 파동의 주파수와 모양을 정밀하게 조정함으로써, 그들은 에너지가 특정 지점에 자연스럽게 집중되어 핫 노드(hot nodes)의 격자를 형성한다는 것을 발견했습니다. 시뮬레이션 결과, 이 설정은 퓨즈드 실리카(fused silica)라는 세라믹 분말을 단 0.25초 만에 녹는점 근에 도달하도록 가열하는 데 성공했습니다. 열은 특정 지점에서 분말을 융합하기에 충분히 강력했으며, 약 1mm 너비의 셀을 가진 격자 구조를 만들어냈습니다. 그러나 연구진은 자가 제한적 요인을 발견했습니다. 분말이 가열됨에 따라 마이크로파를 흡수하는 능력이 변했고, 이로 인해 결국 가열 패턴이 사라지게 되었습니다. 이는 이 방법이 작동하기는 하지만, 패턴이 해체되기 전에 격자를 포착하기 위한 타이밍이 매우 정밀해야 함을 시사합니다.

열의 형태를 더 잘 제어하기 위해 연구진은 두 번째 설계인 교차 간섭계(cross interferometer)로 눈을 돌렸습니다. 이 장치는 마이크로파가 두 개의 수직 방향에서 들어와 분말이 담긴 그릇 안에서 충돌하는 L자형 접합부와 같은 형태를 띱니다. 고정된 반사 패턴에 의존하는 대신, 이 설정은 두 입사파의 간섭을 이용하여 핫스팟과 콜드스팟이 교차하는 복잡한 3차원 격자를 생성합니다. 시뮬레이션 결과, 이 방법은 선형 공진기보다 더 미세한 디테일(핫스팟 간격 2mm 미만)을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 이러한 유연성에는 대가가 따랐습니다. 가열 패턴이 두 파동의 섬세한 균형에 의존하기 때문에, 분말의 특성이 가열되면서 조금이라도 변하면 패턴이 이동하거나 밀려나게 됩니다. 연구진은 이 장치를 사용할 경우 패턴을 안정적으로 유지하기 위해 파동을 실시간으로 계속 조정하는 정교한 컴퓨터 시스템이 필요할 것이라고 밝혔습니다.

세 번째이자 가장 뚜렷한 접근 방식은 마이크로파를 흡수하기보다 반사하는 특성 때문에 마이크로파로 가열하기가 매우 까다로운 금속 분말을 위해 특별히 설계되었습니다. 이를 위해 연구진은 외부 경계 가열기(external boundary heater) 모델을 만들었습니다. 금속을 내부에서 가열하려고 시도하는 대신, 이 장치는 금속 분말 자체를 마이크로파를 가두는 벽으로 사용합니다. 에너지는 세라믹 블록을 통과하여 금속 분말의 표면에 전기 전류를 유도하고, 외층만을 가열합니다. 시뮬레이션에서 이 방법은 장치 주변에 소결된 금속의 얇고 속이 빈 껍질을 성공적으로 만들어냈습니다. 비록 이 방법이 다른 두 방법처럼 고체의 복잡한 내부 구조를 만드는 것은 허용하지 않지만, 현재 기술로는 만들기 어려운 속이 빈 금속 튜브나 인클로저(enclosures)를 제조할 수 있는 길을 열어줍니다. 시뮬레이션에 따르면, 금속이 표면에서 열을 빠르게 전달하는 것을 극복하기 위해 최대 100만 와트의 엄청난 전력이 필요합니다.

세 가지 설계 모두에서 시뮬레이션은 공통적인 요구 사항을 드러냈습니다. 즉, 열이 퍼져나가 미세한 디테일을 망가뜨리기 전에 패턴을 만들기 위해서는 극도로 높은 전력이 필요하다는 점입니다. 연구진은 이러한 결과를 달로하기 위해 20만에서 100만 와트에 이르는 입력 전력이 필요하다고 계산했습니다. 이러한 전력 수준은 기존 산업 장비로 기술적으로 가능하지만, 기계가 크고 비싸며 에너지 집약적입니다. 또한, 이번 연구는 현재 지식의 결정적인 공백을 강조했습니다. 연구팀은 고온에서 분말이 어떻게 행동하는지에 대한 정확한 측정값이 부족하기 때문에 추정 데이터에 의존해야 했습니다. 시뮬레이션은 격자의 기하학적 형상이 재료 특성의 작은 변화에도 견딜 만큼 견고하다는 것을 시사하지만, 실제 테스트 없이는 정확한 온도와 가열 속도를 확신할 수 없습니다.

본 연구는 이러한 마이크로파 기반 시스템이 아직 공장에 투입될 단계는 아니지만, 체적 제조를 향한 실행 가능한 경로임을 결론지었습니다. 연구진은 빛을 사용하지 않고도 세라믹, 복합재, 금속 분말 내에 열 패턴을 설계할 수 있음을 입증함으로써, 현재 3D 프린팅의 한계를 효과적으로 우회했습니다. 선형 공진기는 단순한 세라믹 격자를 인쇄하는 안정적인 방법을 제공하고, 교차 간섭계는 제어 시스템이 완벽해진다면 복잡하고 맞춤화된 형상을 만들 수 있는 잠재력을 지니며, 경계 가열기는 속이 빈 금속 부품을 주조하는 새로운 방법을 제시합니다. 이러한 아이디어를 현실로 만드는 길은 마이크로파를 더 효율적으로 흡수하는 더 나은 재료를 개발하고, 이 과정을 구동하는 데 필요한 고전력원을 만드는 것에 달려 있습니다. 만약 이러한 난관들을 극복할 수 있다면, 그 결과는 가장 단단한 재료로 만든 복잡하고 가벼운 구조물을 몇 시간이 아닌 단 몇 초 만에 출력하는 새로운 제조 시대가 될 것입니다.