 ▲ 한국기계연구원 자율제조연구소 3D프린팅장비연구실 하태호 책임연구원 연구팀(왼쪽부터 하태호 책임연구원, 최준필 선임연구원, 신동운 선임연구원) (C) 정지완 기자 |
한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연)이 고성능 모터 제작이 가능한 자성체 특화 3D프린팅의 전 주기적 기술을 국내 최초로 개발했다고 3일 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 기계연 자율제조연구소 3D프린팅장비연구실 하태호 책임연구원 연구팀, 한국재료연구원 김태훈 책임연구원 연구팀, 가천대학교 김원호 교수 연구팀 등이 함께 협력한 것으로 알려졌다.
개발 기술의 적용을 통해 동일 크기에서 더 높은 출력을 내는 고성능 모터 제작이 가능해졌으며, 자성체 3D프린팅 전용 장비개발 및 특화설계로 금형 없이 복잡한 모터 구조를 구현할 수 있게 됐다. 제작한 차세대 모터는 출력 성능 평가까지 완료된 것으로 알려졌다.
설계, 소재, 공정, 장비를 아우르는 이번 기술의 핵심은 자성체 물성을 극대화하는 3D프린팅 장비를 개발해 금형 제작이 필요 없고 2차원 형상 제약을 극복해 모터 성능 한계를 넘어설 수 있다는 점이다.
이 기술은 제한된 공간에서 높은 토크와 출력을 요구하는 로봇, 전기차, 모빌리티 분야에 적합한 축방향 자속 모터* 개발에 적용됐다. 그 결과 출력 밀도 2.0kW/L 이상의 성능을 갖춘 500W급 3D프린팅 모터를 구현할 수 있었다.
* 축방향 자속 모터(Axial Flux Motor) : 전자기력 방향이 축(축을 따라 나아가는 방향)과 평행한 방식으로 발생하는 모터
 ▲ 미세구조 제어용 가변 레이저 모듈을 포함한 3D프린팅 장비 (C) 정지완 기자 |
기존 모터는 전기강판 적층이나 분말성형 방식으로 제작되어 금형 사용이 필수적이고 제작 형상 제약이 많아 성능구현에 한계가 있었다. 또한 금형 제작과 재료 손실로 인해 비용이 증가하고 환경 문제가 발생하는 등 새로운 기술 혁신이 필요한 상황이었다.
기계연에서 개발한 자성체 3D프린팅 기술은 기존 모터 제조 방식의 한계를 극복하여 고성능 모터가 필요한 로봇, 미래 모빌리티, 의료기기 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
최근 다양한 산업 분야에서 고성능 모터 수요가 급증함에 따라, 높은 설계 자유도를 제공하는 3D프린팅 기술을 적용하면 기존 부품 대비 성능을 극대화할 수 있을 것으로 예상된다. 아울러 금형과 공정, 설비 간소화로 비용 절감이 가능해져 다품종 소량생산 패러다임 전환에도 기여할 전망이다.
하태호 책임연구원은 “이번 자성체 3D프린팅 기술은 기존 제조 방식을 뛰어넘는 혁신적 기술로 차세대 고성능 모터 제작의 새로운 가능성을 열었다”라며 “향후 자성체뿐만 아니라 고기능성 소재 3D프린팅 기술과의 결합을 통해 첨단산업 분야로의 확장을 계속해 나갈 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 기계연 기본사업 ‘차세대 고성능 모터 개발을 위한 3D프린팅 장비 개발’ 과제와 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업 ‘적층제조공정 특화 자성 분말소재 및 형상자유도 활용 모터 설계·제작 3D프린팅 공정기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.
*아래는 위 기사를 '구글 번역'으로 번역한 영문 기사의 [전문]입니다. '구글번역'은 이해도를 높이기를 위해 노력하고 있습니다. 영문 번역에 오류가 있을 수 있음을 전제로 합니다.<*The following is [the full text] of the English article translated by 'Google Translate'. 'Google Translate' is working hard to improve understanding. It is assumed that there may be errors in the English translation.>
The Korea Institute of Machinery and Materials (President Ryu Seok-hyun, hereinafter referred to as KIMM) announced on the 3rd that it has developed the first full-cycle technology for magnetic material-specific 3D printing capable of producing high-performance motors in Korea.
This research is known to have been conducted in collaboration with the research team of Ha Tae-ho, a senior researcher at the 3D Printing Equipment Lab of the Autonomous Manufacturing Research Institute of KIMM under the Ministry of Science and ICT, the research team of Kim Tae-ho, a senior researcher at the Korea Institute of Materials Science, and the research team of Professor Kim Won-ho at Gachon University.
Through the application of the developed technology, it has become possible to produce high-performance motors with higher output in the same size, and the development and specialized design of magnetic material 3D printing equipment has enabled the implementation of complex motor structures without molds. It has been reported that the next-generation motors produced have completed output performance evaluations.
The core of this technology, which encompasses design, materials, processes, and equipment, is that it develops 3D printing equipment that maximizes magnetic material properties, eliminating the need for mold production and overcoming two-dimensional shape constraints to overcome motor performance limitations.
This technology was applied to the development of an axial flux motor* suitable for robots, electric vehicles, and mobility fields that require high torque and output in a limited space. As a result, a 500W-class 3D-printed motor with a power density of 2.0kW/L or more was implemented.
* Axial flux motor: A motor in which the direction of electromagnetic force is generated in a manner parallel to the axis (the direction along the axis)
Existing motors were manufactured using electrical steel sheet lamination or powder molding methods, so they required the use of molds and had many manufacturing shape restrictions, which limited their performance implementation. In addition, costs increased due to mold manufacturing and material loss, and environmental issues arose, requiring new technological innovation.
The magnetic 3D printing technology developed by the Korea Institute of Machinery and Materials is expected to be widely utilized in various fields such as robots, future mobility, and medical devices that require high-performance motors by overcoming the limitations of existing motor manufacturing methods.
As the demand for high-performance motors has been rapidly increasing in various industrial fields, it is expected that performance can be maximized compared to existing parts by applying 3D printing technology that provides high design freedom. In addition, it is expected to contribute to the paradigm shift of small-quantity, multi-variety production by reducing costs through simplification of molds, processes, and equipment.
Head Researcher Ha Tae-ho said, “This magnetic 3D printing technology is an innovative technology that surpasses existing manufacturing methods and has opened up new possibilities for manufacturing next-generation high-performance motors,” and added, “In the future, we will continue to expand into advanced industries through combination with high-functionality material 3D printing technology as well as magnetic materials.”
Meanwhile, this research was conducted with the support of the Basic Project of the Korea Institute of Machinery and Materials, ‘Development of 3D Printing Equipment for Next-Generation High-Performance Motor Development’ and the Nano and Material Technology Development Project of the National Research Foundation of Korea, ‘Development of 3D Printing Process Technology for Designing and Manufacturing Motors Using Magnetic Powder Materials and Shape Freedom Specialized in Additive Manufacturing Processes.’
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