서론: 동일한 성적서 뒤에 존재하는 두 종류의 분말
두 공급업체가 모두 Ti6Al4V 분말을 제공했고, 성적서에는 모두 D50=35μm, 산소 함량 0.12%, 우수한 구형도라고 기재되어 있으며 가격 차이는 18%였다. 그러나 장비 적용 결과는 완전히 달랐다. A 배치는 분말 도포가 균일하고 용융 트랙이 연속적이었으며, 상대 밀도는 안정적으로 99.6% 이상을 유지했다. 반면 B 배치에서는 분말 도포 줄무늬가 빈번하게 발생했고, 미용융 결함률은 0.3%에서 2.7%로 상승했으며, 60개 부품 주문 중 9개가 폐기되었다.
문제는 누군가의 부정행위가 아니라 성적서의 네 가지 지표만으로는 분말의 거동을 전혀 충분히 설명할 수 없다는 점이다. D50은 입도 분포의 중앙값만 제시할 뿐 분포 폭이나 미세 분말 측 꼬리값을 보여주지 않는다. 구형도는 정량화되지 않은 서술적 표현이다. 산소 함량은 포장 전체 분말의 화학 조성을 측정할 뿐, 중공 분말 내부에 갇힌 아르곤 가스는 검출하지 못한다. 실제로 분말 도포와 용융 거동을 결정하는 것은 입도 분포 형상, 겉보기 및 탭 밀도, 홀 유동성, 위성 분말 및 중공 분말 비율과 같은 측정 가능한 물리량이다.
1. 입도 분포: D50 외에 확인해야 할 세 가지 수치
레이저 회절 입도 분석기는 체적 가중 분포를 제공한다. 보고서에서는 최소한 D10, D50, D90 및 스팬 (D90-D10)/D50의 네 항목을 확인해야 한다. LPBF의 일반적인 범위는 D10≈15–20μm, D50≈30–40μm, D90≈55–65μm이며, 스팬은 1.2–1.8로 관리한다.
실제로 위험한 것은 양쪽 꼬리 영역이다. D10이 너무 낮은 경우(미세 분말 과다) 세 가지 문제가 발생한다. 비표면적 증가에 따른 산소 흡착량 증가, 유동성 저하에 따른 불균일한 분말층 두께, 그리고 레이저 스캔 시 스패터와 흄의 현저한 증가이다. 이에 따라 보호 렌즈 교체 주기가 400시간에서 250시간으로 단축될 수 있다. D90이 너무 높은 경우(조대 분말 과다)에는 리코터 아래에서 끌림 스크래치가 발생하며, 조대 입자가 국부적인 미용융 결함을 유발하기 쉽다.
실무적 판정 기준은 다음과 같다. 단일 배치의 D10이 12μm 미만이거나 D90이 70μm를 초과하면, D50이 규격 범위 내에 있더라도 조치 대기 배치로 판정해야 한다. 특히 재사용 분말은 입도 드리프트 방향에 주의해야 한다. 체질은 조대 분말을 제거하지만 미세 분말은 재사용 횟수와 함께 축적되므로, 5회 이상 재사용한 분말의 D10은 일반적으로 신분말보다 3–6μm 낮다.
2. 겉보기 밀도와 탭 밀도: 분말층의 기본 지표
겉보기 밀도(apparent density)는 분말이 자유롭게 쌓인 상태의 밀도이며, Ti6Al4V는 일반적으로 2.3–2.6 g/cm³로 이론 밀도의 약 52–58%이다. 탭 밀도(tap density)는 규정된 횟수로 진동시킨 후 측정하며, 일반적으로 2.8–3.1 g/cm³이다. 두 값의 비율은 Hausner 비라 하며, 유동성을 판단하는 가장 저렴한 지표이다.
Hausner 비 < 1.25 → 유동성 양호, 즉시 장비 적용 가능; 1.25–1.40 → 유동성 보통, 분말 도포 속도를 낮추거나 리코터 압밀 횟수를 늘려야 함; > 1.40 → 유동성 불량, 분말층 밀도가 불균일하므로 박층(20–30μm) 공정에는 권장되지 않음.
겉보기 밀도는 단일 층에 실제로 공급되는 분말 질량을 직접 결정한다. 계산 가능한 관계를 예로 들면, 층 두께 30μm, 도포 면적 250×250mm 장비에서 겉보기 밀도가 2.5에서 2.2 g/cm³로 낮아지면 단일 층의 분말 질량은 약 12% 감소한다. 레이저 에너지 입력이 변하지 않는다면 이는 등가 에너지 밀도가 12% 상승하는 것과 같다. 동일한 파라미터가 신분말에서는 정상인데 재사용 분말에서는 키홀 현상이 발생하는 이유 중 하나가 바로 이것이다. 따라서 배치 또는 분말을 변경할 때는 이전 배치의 공정 카드를 그대로 사용하지 말고 에너지 밀도를 반드시 다시 검증해야 한다.
3. 홀 유동성: 유동성을 판정 가능한 수치로 전환하기
홀 유동계(Hall Flowmeter)는 50g의 분말이 표준 깔때기(구경 2.54mm)를 통과하는 시간을 측정하며, 단위는 s/50g이다. 이는 ASTM B213에서 규정한 표준 방법이며 입고 검사표에 가장 쉽게 포함할 수 있는 항목이다.
참고 범위는 다음과 같다. Ti6Al4V, 316L 등의 구형 가스 분무 분말은 일반적으로 15–25 s/50g이며, 316L은 다소 빠른 13–20 s/50g이다. AlSi10Mg는 밀도가 낮고 브리징이 발생하기 쉬워 일반적으로 25–40 s/50g 범위이다. 45 s/50g을 초과하거나 유동이 중단되는 경우(브리징, 불연속 유동)는 즉시 불합격으로 판정해야 하며, 이러한 분말은 리코터 아래에서 주기적인 분말 부족을 유발한다.
두 가지 측정 함정에 유의해야 한다. 첫째, 분말은 반드시 건조해야 한다. 수분 함량이 0.05%(질량분율)를 초과하면 입자 간 액체 브리지 힘으로 인해 홀 유동성이 20–40% 악화될 수 있다. 따라서 시험 전 80–120℃에서 2–4시간 진공 건조하고, 데시케이터에서 실온까지 냉각한 뒤 즉시 시험해야 한다. 둘째, 재사용 분말은 먼저 체질해야 한다. 그렇지 않으면 잔류 응집 입자와 스패터 구형 입자가 깔때기 입구를 막아 유동 시간이 아닌 막힘 시간이 측정된다.
4. 위성 분말과 중공 분말: 형상 결함의 정량화 방법
가스 분무 과정에서 작은 액적이 이미 응고된 큰 입자 표면에 부착되어 위성 분말(satellite)을 형성할 수 있다. 위성 분말은 두 가지 측면에서 해롭다. 입자 간 기계적 맞물림을 증가시켜 유동성을 악화시키며, 분말 도포 중 이러한 돌기가 입자 재배열을 방해하여 분말층 밀도를 낮춘다. 한편 중공 분말은 분무 가스가 용융 액적 내부로 유입되어 형성된 폐공 입자이다. 도포 단계에서는 이상이 드러나지 않지만, 용융 풀에서 파열되며 가스를 방출해 구형 기공을 형성한다. 이러한 기공은 흔히 공정 파라미터 문제로 오인된다.
정량화 방법에는 비용이 다른 두 가지 경로가 있다. 저비용 경로는 금속조직 시편을 제작한 후 500배에서 무작위로 10개 시야를 촬영하고, 각 시야에서 최소 200개 입자를 계수하는 방식이다. 독립적으로 부착된 구형 입자가 표면에 있는 위성 분말의 비율과 단면에서 폐쇄 기공이 보이는 중공 분말의 비율을 산정한다. 권장 판정 임계값은 위성 분말 ≤ 8%, 중공 분말 ≤ 1.5%이다. 고해상도 경로에서는 SEM과 자동 이미지 분석을 사용하여 구형도(원형도) 분포와 입도-형상 복합 분포를 동시에 산출할 수 있다. 시료당 측정 시간은 약 20–30분으로, 신규 공급업체의 초도 승인에 적합하다.
중공 분말에는 간접 판정 기준도 있다. 즉, 입도 분포는 변하지 않았는데 겉보기 밀도가 동일 배치의 과거 값보다 현저히 낮은 경우이다. 예를 들어 특정 316L 배치의 겉보기 밀도가 4.0 g/cm³이고 과거 평균이 4.4 g/cm³인 반면, D50과 스팬은 모두 정상이었다. 재검사 결과 중공 분말 비율이 3.8%로 확인되었다. 중공 분말이 충전 밀도를 낮춘 것이며, 이는 가장 경제적인 조기 경보 신호이다.
5. 비표면적과 산소 증가량의 연계
BET 비표면적은 미세 분말 함량에 민감한 지표이다. 구형 Ti6Al4V의 이론 기하학적 비표면적은 D50=35μm일 때 약 0.02 m²/g이다. 실측 BET 값이 0.05–0.08 m²/g에 도달하면 다량의 미세 분말이 존재하거나 입자 표면이 거칠고 위성 구조가 있음을 의미한다. 비표면적이 두 배로 증가하면 동일 노출 조건에서 산소 흡수 속도도 대략 두 배가 된다. 미세 분말 비율이 높은 배치가 개봉 후 산소 함량이 더 빨리 상승하는 이유도 여기에 있다.
입고 검사에서는 연계 판정 기준을 설정하는 것이 바람직하다. BET 비표면적이 과거 평균보다 30% 이상 높으면 산소 함량이 합격 범위이더라도 개봉 후 사용 가능 기간을 일반적인 30일에서 14일로 단축하고, 장비 투입 전 건조 공정을 추가해야 한다.
6. 실행 가능한 입고 검사표
상기 지표를 판정 가능한 표로 정리하는 것이 ‘구형도 양호’를 논의하는 것보다 훨씬 효과적이다. 배치별로 필수 측정 6개 항목과 샘플링 측정 2개 항목을 권장한다.
필수 측정: ① 입도 분포 D10/D50/D90 및 스팬; ② 겉보기 밀도 및 탭 밀도(Hausner 비 계산); ③ 홀 유동성(s/50g, 3회 반복 후 평균값); ④ 산소 및 질소 함량(불활성 가스 용융 적외선/열전도도법); ⑤ 수분 함량(칼 피셔 또는 건조 감량); ⑥ 외관 및 이물질(백색 천 닦음, 자력 선별 검사).
샘플링 측정(신규 공급업체 초도 배치 또는 공정 이상 발생 시 적용): ⑦ 금속조직/SEM을 이용한 위성 분말 및 중공 분말 비율; ⑧ BET 비표면적.
판정 규칙은 형용사가 아니라 임계값으로 작성해야 하며, 각 항목에 대해 측정 방법 표준 번호와 장비를 지정해야 한다. 그렇지 않으면 공급업체와 구매자가 서로 다른 방법으로 측정하게 되어 데이터가 일치하지 않는다. 보관 시료 역시 중요하다. 각 배치에서 200–300g의 밀봉 보관 시료를 남기고 배치 번호, 입고일 및 시험성적서 번호를 표기해야 한다. 해당 분말을 모두 사용한 후에도 6개월간 보관해야 하며, 대량 결함이 발생할 경우 이것이 유일한 추적 근거가 된다.
결론
분말 검수의 핵심은 측정 항목을 단순히 늘리는 것이 아니라 분말 도포와 용융에 영향을 주는 물리량을 측정하고, 이를 판정 가능한 임계값으로 작성하는 것이다. 입도 분포는 D50만 보지 말고 D10과 D90의 양쪽 꼬리값을 확인해야 한다. 겉보기 밀도와 탭 밀도로 Hausner 비를 계산하고, 이를 바탕으로 에너지 밀도의 재보정 필요성을 검토해야 한다. 홀 유동성은 유동성에 대한 명확한 판정 기준을 제공한다. 위성 분말과 중공 분말은 금속조직 또는 SEM으로 정량화하며, 중공 분말은 겉보기 밀도 이상을 활용해 저비용으로 조기 경보할 수 있다.
Blueprint 3D의 납품 체계에서 분말 특성 분석은 단순한 수입 검사 절차가 아니라 공정 윈도우의 선행 조건이다. 분말 거동이 측정 가능해야 프린팅 파라미터를 재현할 수 있고, 납품 품질을 보장할 수 있다.