Build it layer by layer.
분말야금 & 적층제조, 빼는 게 아니라 쌓는다
Powder metallurgy & additive manufacturing — building up, not cutting away
지금까지 살펴본 주조와 소성가공은 모두 덩어리에서 모양을 빼내거나(절삭) 누르거나(소성가공) 부어 굳히는 방식이었습니다. 그런데 한번 발상을 뒤집어 봅시다. 빼지 않고, 누르지도 않고, 그저 한 층씩 차곡차곡 쌓아 올린다면 어떨까요. 이것이 적층제조 (Additive Manufacturing, AM), 우리가 흔히 3D 프린팅이라 부르는 기술입니다. 종이를 한 장씩 덧대 책 한 권을 만드는 모습을 떠올리면 가장 가깝습니다.
All processes covered so far — casting, rolling, forging, extrusion — either pour material into a mould or reshape a solid billet. Now flip the logic: instead of subtracting or compressing, add material one thin layer at a time. This is Additive Manufacturing (AM), popularly known as 3D printing. The closest analogy is building a book by stacking individual pages one at a time.
쌓는 재료와 굳히는 방법에 따라 여러 갈래로 나뉩니다. 금속 분말을 깔고 레이저로 한 점씩 녹여 붙이는 SLM·DMLS, 액체 광경화 수지를 자외선으로 한 층씩 굳히는 SLA·DLP, 플라스틱 실을 녹여 짜내는 가장 보급형인 FDM, 그리고 분말에 접착제를 뿌려 형상을 잡은 뒤 구워 굳히는 바인더 젯팅 같은 방식입니다. 모두 "한 층씩 더한다"는 점은 같지만, 정밀도와 재료와 비용은 저마다 다릅니다.
The process branches depending on what is deposited and how it is consolidated: SLM/DMLS spreads metal powder and fuses it point-by-point with a laser; SLA/DLP cures liquid photopolymer resin layer by layer with UV light; FDM — the most widespread desktop method — extrudes molten plastic filament; and binder jetting prints a binder onto powder to hold the shape before sintering in a furnace. The "layer-by-layer" principle is identical in each, but precision, material range, and cost differ widely.
적층제조의 진짜 매력은, 절삭이나 주조로는 만들 수 없는 형상을 만들 수 있다는 점에 있습니다. 부품 안에 미세한 통로를 내거나, 벌집 같은 격자(lattice) 구조로 가볍게 만들거나, 여러 개로 나뉘던 부품을 하나로 합치는 일이 가능합니다. 항공기 연료 분사 노즐, 환자 맞춤형 의료 임플란트, 시제품 검증까지 폭이 빠르게 넓어지고 있습니다(예시). 다만 표면이 거칠고 잔류응력이 남는다는 약점이 있어, 후처리와 품질 보증이 여전히 큰 과제입니다.
The real appeal of AM lies in geometric freedom: internal channels, honeycomb lattice structures for weight reduction, and the consolidation of multi-part assemblies into a single printed component. Applications are expanding rapidly from aerospace fuel-injection nozzles and patient-specific medical implants to rapid prototyping (general examples). The acknowledged weaknesses are surface roughness, residual stress from rapid heating and cooling cycles, and lower throughput per unit time — making post-processing and quality assurance ongoing challenges.
한 층씩 쌓는 네 가지 방식.
Four routes to building one layer at a time.
"한 층씩 쌓는다"는 같은 원리에서 왜 이토록 다른 공정이 갈라져 나올까요?
적층제조의 본질은 부피를 얇은 단면(슬라이스)으로 잘게 나눠, 각 단면을 차례로 굳혀 다음 단면 위에 얹는 일입니다. 모든 AM 공정이 이 골격을 공유합니다. 차이는 "무엇을, 어떻게 굳히느냐"에서 생깁니다. 분말을 깔고 레이저로 녹이느냐, 액체를 빛으로 굳히느냐, 실을 녹여 짜내느냐, 분말에 풀을 뿌려 굳히느냐. 같은 원리, 다른 도구입니다.
이 방식이 전통 가공과 달리 빛나는 지점은 형상의 자유도에 있습니다. 절삭은 공구가 닿을 수 있는 곳만 가공하고, 주조는 금형에서 뽑아낼 수 있는 형상에 묶입니다. 그러나 한 층씩 쌓는 AM은 부품 안에 미세한 통로를 내거나 벌집 같은 격자(lattice) 구조를 넣어 가볍고 강한 부품을 만들 수 있습니다. 여러 부품을 하나로 합쳐 조립을 줄이는 통합 설계도 가능합니다. 다만 층층이 쌓는 흔적이 표면 거칠기로 남고, 급격한 가열·냉각이 잔류응력으로 남아 후처리가 필수입니다.
The same "layer-by-layer" principle — so why do such radically different processes exist?
The essence of AM is to slice a volume into thin cross-sections, consolidate each cross-section in turn, and deposit it on top of the previous one. Every AM process shares this skeleton. The difference lies in "what is deposited and how it is consolidated." Spread powder and melt it with a laser; cure liquid resin with light; extrude molten filament; spray binder onto powder and sinter. Same principle, different tools.
The area where AM outshines conventional manufacturing is geometric freedom. Machining can only reach surfaces a cutter can access; casting is constrained to shapes that can be ejected from a mould. AM, building one layer at a time, can create internal channels, lattice structures that remove mass without sacrificing stiffness, and parts that would previously require many components assembled together. The trade-offs are layer-by-layer surface roughness and residual stress from rapid heating and cooling, making post-processing and quality assurance mandatory.
Q1 같은 3D 프린팅인데 왜 SLM·SLA·FDM의 정밀도와 재료가 그렇게 다를까요?All called "3D printing" — why are the precision and materials so different between SLM, SLA, and FDM?
"한 점을 어떻게 굳히느냐"가 정밀도와 재료를 동시에 결정하기 때문입니다. SLM은 수십 마이크로미터 굵기의 레이저 빔으로 금속 분말을 녹여 붙이므로 금속 부품이 가능하지만, 녹은 풀이 식는 동안 표면이 거칠어집니다. SLA는 한 픽셀씩 자외선을 비춰 액체 수지를 굳혀 표면이 가장 매끄럽지만, 재료가 광경화 수지에 한정됩니다. FDM은 가열 노즐로 녹인 플라스틱 실을 짜내는 방식이라 값싸고 다루기 쉽지만, 실의 굵기만큼 층 자국이 도드라져 표면이 거칠지요. 모두 같은 "층층이 쌓기" 원리지만, 도구의 분해능과 재료가 결과의 성격을 갈라 놓습니다.
Because "how a single point is consolidated" determines both precision and material at once. SLM fuses metal powder with a laser beam tens of micrometres wide — enabling metal parts, but the solidifying melt pool leaves a rough surface. SLA exposes liquid resin pixel by pixel with UV light — producing the smoothest surface, but restricted to photopolymer materials. FDM extrudes a molten plastic filament through a heated nozzle — cheap and accessible, but the filament diameter sets a lower bound on layer-step visibility. All share the same "layer-by-layer" principle; the tool's resolution and the material determine the character of the result.
Q2 적층한 금속 부품에는 왜 잔류응력이 남고, 그게 왜 문제일까요?Why does residual stress build up in SLM parts, and why does it matter?
SLM에서 한 점이 레이저로 순식간에 녹았다가 다시 굳을 때 그 자리는 줄어들려 하지만, 이미 굳어 있는 아래층이 줄어들지 못하게 붙잡습니다. 그 결과 굳은 자리에는 잡아당기는 인장 응력이 갇혀 남는데, 이것이 잔류응력(residual stress)입니다. 잔류 응력이 크면 부품이 휘거나, 빌드 플레이트에서 떨어지거나, 사용 중 균열로 이어집니다. 그래서 SLM 부품은 출력 후 응력 제거 열처리(stress relief)나 등방가압소결(HIP)로 응력을 풀어 주고, 그동안 형상을 유지하는 받침대(서포트)도 미리 설계에 포함시킵니다.
When a point in an SLM build melts and then re-solidifies almost instantly, the contracting solidified material wants to shrink, but the already-solid layer below restrains it. The result is a locked-in tensile residual stress. Large residual stresses can warp the part, cause delamination from the build plate, or nucleate cracks in service. SLM parts therefore routinely undergo stress-relief heat treatment or Hot Isostatic Pressing (HIP) after printing, and the design must include support structures to hold the geometry in place during the build.
Q3 AM이 잘 어울리는 부품과 그렇지 않은 부품은 무엇으로 가를까요?What distinguishes parts where AM wins from parts where it loses?
기준은 두 가지입니다. 첫째, "전통 가공으로는 못 만드는 형상인가". 내부에 곡선 통로가 있는 열교환기, 위상 최적화로 살을 덜어낸 경량 브래킷, 환자 한 명을 위해 단 하나만 만드는 임플란트처럼 형상 가치가 큰 부품은 AM이 강합니다. 둘째, "수량이 많지 않은가". 한 번에 한 층씩 쌓는 AM은 시간당 처리량이 작아, 백만 개를 똑같이 찍어 내는 일에는 다이캐스팅이나 프레스가 훨씬 빠르고 쌉니다. 그래서 AM은 항공·의료·시제품처럼 형상 가치는 크지만 수량이 작은 영역에서 먼저 자리 잡았습니다.
Two criteria separate AM's sweet spot from its weak zone. First: "is this a shape conventional manufacturing cannot make?" Heat exchangers with internal curved channels, topology-optimised lightweight brackets with material removed from low-stress regions, implants made one-off for a specific patient — these are cases where AM's geometric freedom commands a premium. Second: "is the quantity small?" Building one layer at a time means low throughput; for millions of identical parts, die casting or stamping is orders of magnitude faster and cheaper. AM therefore established itself first in aerospace, medicine, and prototyping — high geometric value, low volume.
분말을 얇게 깔고 레이저나 전자빔으로 한 점씩 녹여 붙이는 방식입니다. 금속용으로는 SLM(레이저)과 EBM(전자빔), 플라스틱용으로는 SLS가 대표적입니다. 정밀도가 높고 재료 폭이 넓어 항공기 부품, 의료 임플란트처럼 까다로운 형상에 두루 쓰입니다.
A thin powder layer is spread and fused point by point with a laser or electron beam. For metals: SLM (laser) and EBM (electron beam); for polymers: SLS. High precision and broad material range make PBF the dominant route for aerospace components, medical implants, and other demanding geometries.
액체 광경화 수지가 담긴 통에 자외선을 비춰 한 층씩 굳히는 방식입니다. SLA는 점을, DLP는 면을 한 번에 굳혀 속도가 빠릅니다. 표면이 가장 매끄럽고 정밀해 치과 보철, 주얼리 마스터 모형, 정밀 시제품에 적합합니다.
UV light cures liquid photopolymer resin one layer at a time from a vat. SLA traces a point; DLP projects an entire layer simultaneously for higher speed. Produces the smoothest surface and finest detail — well suited for dental prosthetics, jewellery master models, and precision prototypes.
가열한 노즐로 PLA·ABS·PETG 같은 플라스틱 실을 녹여 한 줄씩 짜내는 방식입니다. 장비가 단순하고 값이 싸 데스크탑 보급형으로 가장 널리 쓰이지만, 층 자국과 실 굵기 때문에 표면이 거칠고 강도에 방향성이 생깁니다.
A heated nozzle melts plastic filament (PLA, ABS, PETG) and deposits it line by line. The simplest and cheapest platform — the desktop standard — but layer lines and filament width produce visible surface steps and introduce anisotropic strength (weaker between layers than along them).
분말에 잉크처럼 접착제(바인더)를 뿌려 형상을 잡은 뒤, 가열로에서 구워 소결로 단단하게 만드는 방식입니다. 한 번에 여러 부품을 쌓아 빠르게 양산할 수 있어 금속·세라믹 부품의 비용을 낮추는 길로 주목받고 있습니다.
A liquid binder is inkjet-printed onto powder to hold the shape, then the green body is sintered in a furnace to reach full density. Multiple parts can be packed in a single build, enabling higher throughput — positioning binder jetting as a cost-reduction route for metal and ceramic components.
조각가는 큰 돌을 깎아 형상을 빼내지만, 벽돌공은 벽돌을 하나씩 쌓아 집을 짓습니다. 적층제조는 후자에 가깝습니다. 다만 벽돌 대신 분말이나 액체 수지를, 모르타르 대신 레이저나 자외선을 씁니다. 한 층씩 쌓기에 부품 속에 미로 같은 통로도 낼 수 있지만, 벽돌 자국처럼 층 흔적이 표면에 남는다는 점은 받아들여야 합니다.
A sculptor carves form by removing material; a bricklayer builds form by stacking. Additive manufacturing is closer to the bricklayer. Instead of bricks: powder or liquid resin. Instead of mortar: laser or UV light. Because you build one layer at a time, you can create maze-like internal passages — impossible to carve. The trade-off is that, like brickwork, layer lines remain visible on the surface.
SLM에서는 단위 부피당 입력 에너지 $E_v = P / (v \cdot h \cdot t)$가 핵심 변수입니다($P$ 레이저 출력, $v$ 스캔 속도, $h$ 해치 간격, $t$ 층 두께). 너무 낮으면 분말이 덜 녹아 결합 부족, 너무 높으면 키홀(keyhole) 결함이 생깁니다. 최적 창에서는 99% 이상의 상대 밀도가 얻어지지만 잔류응력은 남으므로 후속 응력 제거나 HIP이 필요합니다.
The key process variable in SLM is volumetric energy density $E_v = P / (v \cdot h \cdot t)$ ($P$ = laser power, $v$ = scan speed, $h$ = hatch spacing, $t$ = layer thickness). Too low: powder does not fully melt, leaving lack-of-fusion voids. Too high: keyhole porosity forms. Within the optimal window, relative density above 99% is achievable, but residual stress remains and requires subsequent stress relief or HIP.
분말을 압축해 형상을 잡은 뒤(green compact), 융점 아래의 고온에서 가열해 입자 사이의 목(neck)이 성장하며 빈 공간이 줄어드는 과정이 소결(sintering)입니다. 구동력은 표면 자유에너지 감소이며, 확산 기구에 따라 부피·표면·경계 확산이 함께 일어납니다. 자동차 변속기 기어, 절삭공구의 초경 카바이드처럼 분말야금이 전통 주조·단조보다 유리한 분야가 많습니다.
Compress powder into a shape (green compact), then heat it below the melting point until inter-particle necks grow and pores shrink — this is sintering. The driving force is reduction of surface free energy; volume diffusion, surface diffusion, and grain-boundary diffusion all contribute. Powder metallurgy outperforms conventional casting and forging in many applications — transmission gears, cemented carbide (WC-Co) cutting tools — where complex small shapes or hard-to-melt materials are involved.
AM은 위상 최적화(topology optimization)와 격자 구조로 무게를 크게 줄일 수 있지만, 오버행(돌출부)이 일정 각도를 넘으면 서포트가 필요하고, 이는 표면 품질과 후처리 비용에 영향을 줍니다. 그래서 적층 친화 설계(DfAM)에서는 빌드 방향, 서포트 최소화, 후가공 여유를 함께 고려합니다.
AM enables topology optimisation and lattice structures to cut mass substantially, but overhanging features beyond a critical angle require support structures, which affect surface quality and post-processing cost. Design for Additive Manufacturing (DfAM) therefore considers build orientation, support minimisation, and machining allowances together from the earliest design stage.
적층제조의 핵심은 "부피를 단면으로 잘라, 단면을 차례로 굳혀 쌓는다"는 한 가지 원리입니다. 그 원리 위에서 분말 베드 융합, 광경화, 재료 압출, 바인더 젯팅 네 갈래가 갈라지고, 분말을 가열해 굳히는 분말야금도 같은 가족에 속합니다. 강점은 전통 가공이 못 만드는 형상에 있고, 한계는 표면 거칠기·잔류응력·처리량에 있습니다. 그래서 AM은 모든 부품을 대체하는 기술이 아니라, 형상 가치가 크고 수량이 작은 영역에서 압도적으로 빛나는 도구입니다. 다음 레슨에서는 이렇게 만든 부품들을 다시 하나로 붙이는 용접과 접합으로 넘어갑니다.
The essence of additive manufacturing is one principle: slice a volume into cross-sections, consolidate each in sequence, and build upward. From this, four routes branch — powder bed fusion, vat polymerisation, material extrusion, and binder jetting — with powder metallurgy's press-and-sinter occupying the same family. Geometric freedom is the strength; surface roughness, residual stress, and throughput are the limits. AM is therefore not a replacement for all conventional processes, but a tool that dominates in the space where geometric value is high and quantity is low. The next lesson turns to the joining side: welding and bonding — how separately manufactured parts are united into a structure.
CHECK 스스로 확인하기Self-check
1. 금속 부품을 정밀 출력하려면 SLM·SLA·FDM 중 어느 쪽이 적합할까요?
→ SLM입니다. 금속 분말을 레이저로 녹여 붙이는 방식이라, 광경화(SLA)나 플라스틱 압출(FDM)로는 만들 수 없는 금속 부품을 출력할 수 있습니다.
1. For printing a precision metal component, which is appropriate — SLM, SLA, or FDM?
→ SLM. It fuses metal powder with a laser, enabling actual metal parts that SLA (polymer resin) and FDM (plastic filament) cannot produce.
2. SLM 부품에 응력 제거 열처리나 HIP을 하는 이유는 무엇일까요?
→ 급격한 가열·냉각으로 갇힌 잔류응력을 풀고 내부 기공을 줄여, 부품의 변형과 균열 위험을 낮추기 위해서입니다.
2. Why do SLM parts require stress-relief heat treatment or HIP after printing?
→ Rapid heating and cooling cycles lock in residual tensile stress, and internal porosity may remain. Heat treatment relieves stress; HIP closes pores under high pressure and temperature, together reducing the risk of distortion and in-service cracking.
3. AM이 다이캐스팅이나 프레스보다 유리한 부품의 두 가지 조건은?
→ 전통 가공으로 못 만드는 형상(격자·내부 통로·통합 부품)일 것, 그리고 수량이 많지 않을 것입니다. 둘 중 하나만 충족해도 검토 가치가 있습니다.
3. Name the two conditions that make AM preferable over die casting or stamping.
→ First: a shape that conventional manufacturing cannot produce (lattice, internal channels, consolidated multi-part assembly). Second: low quantity — AM throughput is too low to compete for high-volume identical parts. Satisfying either condition alone is worth investigating.