재료硏 "금속 3D프린팅 부품 내부결함 AI로 미리 판별"

[창원=뉴시스]금속 3D프린팅 부품의 내부 결함 발생을 사전에 예측할 수 있는 인공지능(AI) 기반 모델을 개발한 한국재료연구원 등 공동 연구진. 왼쪽부터 제1저자인 왕재민 독일 막스플랑크연구소 박사와 교신저자인 박정민 한국재료연구원 박사와 디어크 라베 독일 막스플랑크연구소 교수.(사진=한국재료연구원 제공) 026.01.15.photo@newsis.com

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 나노재료연구본부 박정민 박사 연구팀이 독일 막스플랑크연구소 왕재민 박사, 디어크 라베 교수 연구팀과 공동 연구로 금속 3D프린팅 부품의 내부 결함 발생을 사전에 예측할 수 있는 인공지능(AI) 기반 모델 개발에 성공했다고 15일 밝혔다.

이번 연구 성과는 금속 3D프린팅 부품의 품질 신뢰성을 획기적으로 높이고 항공·에너지 등 고성능 부품 산업 현장에서의 생산 효율성을 크게 확대할 수 있는 기술로 기대된다.

금속 3D프린팅은 복잡한 형상의 고부가가치 부품을 제조할 수 있는 차세대 제조 기술로 주목받고 있지만 공정 중 발생하는 미세한 내부 결함이 부품 파손과 성능 저하 원인이 되어 산업 적용에 한계가 있었다.

기존에는 기공률 같은 단순 지표를 중심으로 품질을 평가했으나 실제로는 결함의 모양, 크기, 위치, 분포에 따라 기계적 성능에 미치는 영향이 크게 달라지는 문제가 있었다.

박정민 박사 등 공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 금속 3D프린팅 공정 조건?결함 형상?기계적 성능 간의 관계를 체계적으로 분석·예측할 수 있는 '설명 가능한 인공지능(Explainable AI) 모델'을 개발했다.

이를 통해 공정 설계 단계부터 내부 결함 발생 가능성과 그로 인한 성능 변화를 예측하고 품질을 사전에 제어할 수 있는 새로운 접근법을 제시했다.

개발한 AI 모델의 핵심은 금속 3D프린팅 기술인 레이저 분말 베드 용융(LPBF, Laser Powder Bed Fusion) 공법에서 발생하는 내부 결함을 단순 개수나 비율이 아니라, 모양·배치 같은 '형태학적 특성'을 기반으로 분석·예측한다는 점이다.

미세조직 이미지를 활용해 기공의 크기, 비원형성, 공간적 분포 등을 자동으로 분석하고, 이를 기계적 물성과 직접 연결해 결함이 실제 성능에 미치는 영향을 정량적으로 설명하는 게 가능하다.

특히 특정 공정 조건에서 결함이 증가하고 성능이 저하되는 이유를 함께 설명할 수 있는 구조를 갖추어 결과도출 과정을 알 수 없는 기존의 블랙박스 AI 모델과는 차별화된다.

[창원=뉴시스]한국재료연구원 박정민 박사와 독일 막스플랑크연구소 왕재민 박사, 디어크 라베 교수 공동 연구팀이 금속 3D프린팅 공정에서 분말·공정 조건이 결함과 부품 성능에 미치는 영향을 AI로 분석·예측한 개념도.(자료=한국재료연구원 제공) 026.01.15. photo@newsis.com

연구팀은 철강소재, 알루미늄 합금, 타이타늄 합금 등 다양한 금속 3D프린팅 적용 소재를 대상으로 공정 조건, 분말 특성, 결함 이미지, 기계적 물성 데이터를 종합적으로 분석하고, 이를 AI 모델에 학습시켰다.

이를 통해 공정 변수와 분말 특성이 결함 형성에 미치는 영향과 결함 형상이 기계적 성능에 미치는 영향을 단계적으로 예측하는 통합 프레임워크를 구축했다.

이렇게 개발된 기술은 금속 3D프린팅 부품의 품질 신뢰성을 획기적으로 높여 항공·우주·국방·모빌리티 분야 등 고신뢰 금속 부품이 요구되는 산업 전반에서 금속 3D프린팅 공정 최적화 및 품질 관리 기술로 활용될 수 있다.

부품 제조의 불량률을 낮추고 재료 낭비와 재작업 비용을 줄여 산업 전반의 생산 효율성 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.

주 발명자인 KIMS 박정민 박사는 "이번 연구는 금속 3D프린팅 부품의 결함을 단순히 줄이는 걸 넘어 특정 결함이 실제 성능에 어떻게 영향을 미치는지를 과학적으로 설명하는 기준을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다"고 강조했다.

그는 "앞으로 항공·우주·국방 등 고성능 부품 제조 분야에서 금속 3D프린팅의 산업적 활용도를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 KIMS 기본사업과 산업통상자원부 소재부품기술개발사업 및 에너지효율혁신기술개발사업 지원을 받아 수행했으며, 연구 결과는 금속재료 분야 세계 최고 권위 학술지 '악타 머티리얼리아(Acta Materialia, IF 9.3)' 2026년 1월1일 온라인판에 게재됐다.

☞공감언론 뉴시스 hjm@newsis.com

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