서론: 316L은 금속 적층제조의 핵심 소재이지만, “출력 가능”이 곧 “안정 출력”을 의미하지는 않는다
금속 적층제조 소재군에서 316L 스테인리스강은 거의 모든 엔지니어링 팀이 처음 접하는 대표 소재입니다. 내식성이 우수하고 용접이 가능하며 비용도 적정해 화학, 제약, 식품기계, 해양 장비, 의료기기 분야에서 폭넓게 사용됩니다. 그러나 실제 프로젝트에서는 동일한 SLM 장비와 동일한 STL 파일을 사용하더라도 팀에 따라 결과물이 크게 달라집니다. 어떤 부품은 치밀도가 99.5% 이상으로 안정적이고 표면이 매끄러우며 장기간 누설이나 부식이 없지만, 어떤 부품은 층간 미용융, 다량의 기공, 가장자리 뒤틀림, 심지어 균열까지 발생합니다. 문제의 근본 원인은 대개 장비 자체가 아니라 공정 창을 제대로 이해하고 제어했는지에 있습니다. 이 글은 “소재—성형—후처리” 순서로 316L의 SLM 공정 최적화 경로를 정리합니다.
1. 분말 특성이 성형 품질에 미치는 결정적 영향
SLM(선택적 레이저 용융)은 본질적으로 빠른 용융과 빠른 응고가 반복되는 미세 야금 공정입니다. 따라서 분말의 입도 분포, 구형도, 산소 함량은 분말 도포 안정성과 용융풀 거동을 직접적으로 좌우합니다. 업계에서 흔히 쓰이는 316L 가스 아토마이징 분말은 입도 분포가 주로 15—53μm 범위에 집중됩니다. 입자가 너무 크면 일반적인 층 두께인 20—40μm에서 분말층을 균일하게 덮기 어렵고 층간 미용융 영역이 남기 쉽습니다. 반대로 입자가 너무 미세하면 분말 유동성이 떨어지고 비산 분진이 증가해 역시 도포 결함을 유발할 수 있습니다.
더 중요한 요소는 산소 함량입니다. 316L 내 산소는 우선적으로 산화물 개재물을 형성해 용융풀의 젖음성을 저해하고 기공률을 높입니다. 따라서 출력용 분말의 산소 함량은 일반적으로 ≤0.1%로 관리해야 합니다. 또한 분말 재사용 횟수도 반드시 기록해야 합니다. 회수할 때마다 미분 비율, 산소 함량, 위성분말 상태가 변하기 때문입니다. 배치 관리 대장을 구축하고 신분말과 재사용 분말을 일정 비율로 혼합한 뒤 입도와 산소 함량을 재검사하는 것이 배치 일관성을 보장하는 전제 조건입니다.
2. SLM 핵심 공정 창: 레이저 출력, 스캔 속도와 에너지 밀도
용융풀 상태를 결정하는 핵심 파라미터는 레이저 출력 P, 스캔 속도 v, 스캔 간격 h, 층 두께 t이며, 이들이 함께 체적 에너지 밀도(VED = P/(v·h·t))를 구성합니다. 316L의 경우 일반적이고 안정적인 에너지 밀도 범위는 대략 60—100 J/mm³입니다. 대표적인 조합은 레이저 출력 200—285W, 스캔 속도 800—1000mm/s, 스캔 간격 0.09—0.11mm, 층 두께 0.03—0.04mm 수준입니다.
에너지 밀도가 너무 낮으면 용융풀 깊이가 부족해 미용융 결함이 발생합니다. 이러한 결함은 불규칙한 모서리 형태를 띠며, 구형 기공보다 피로 성능에 훨씬 더 큰 악영향을 줍니다. 반대로 에너지 밀도가 너무 높으면 용융풀이 과열되어 금속 증발이 일어나고, 스패터와 키홀이 발생해 오히려 기공이 내부에 갇히게 됩니다. 따라서 공정 최적화의 목표는 “출력을 높여 치밀도를 확보”하는 것이 아니라 미용융과 키홀 사이의 적정 창을 찾는 것이며, 단층 단일 비드와 벌크 시편의 금상 단면 분석으로 이를 검증해야 합니다.
3. 치밀도와 기공 제어: 용융풀 거동에서 공정 억제까지
316L의 기공은 주로 세 가지 메커니즘에서 비롯됩니다. 첫째는 미용융으로 형성되는 각진 기공, 둘째는 스패터 혼입 또는 가스 배출 지연으로 생기는 기공, 셋째는 분말 자체의 중공 입자가 유입하는 원시 기공입니다. 이에 대응하는 공정 억제 방법도 세 가지 방향으로 정리할 수 있습니다.
첫째, 스캔 중첩률을 높입니다. 스캔 간격을 적절히 줄이거나 스캔 라인 겹침을 높여 트랙 간 완전한 야금 결합을 확보합니다. 둘째, 체스판 또는 스트라이프 스캔 전략을 적용합니다. 긴 스캔 경로를 짧은 구간으로 나누고 층간 시작 위치를 엇갈리게 해 잔류응력 집중을 줄이는 동시에 가스가 빠져나갈 시간을 더 확보합니다. 셋째, 층간 회전각을 최적화합니다. 일반적으로 45° 또는 67°를 교대로 적용해 층간 결함이 같은 방향으로 누적되지 않도록 합니다.
검수 단계에서는 아르키메데스 배수법을 통한 밀도 측정과 금상 단면 기공률 통계를 병행하는 이중 검증을 권장합니다. 일반적인 엔지니어링 납품에서는 상대 치밀도 ≥99.5%가 요구됩니다. 압력 하중 또는 피로 조건에서 사용되는 경우에는 ASTM E8에 따른 인장시험을 수행해 인장강도와 연신율이 모두 단조재 수준에 도달하는지 확인해야 합니다.
4. 잔류응력, 변형과 열처리
SLM의 응고 속도는 초당 수 미터 수준에 이를 수 있으며, 급격한 온도 구배는 부품 내부에 매우 높은 잔류응력을 축적시킵니다. 그 결과는 기판 뒤틀림, 가장자리 변형 등으로 나타납니다.