경상국립대 박성제 교수 연구팀, 한국생산기술연구원 3D프린팅제조혁신센터와 협업으로,

 3D 프린팅 부품의 드론 적용 가능성 확인

- JCR 상위 4.1% 국제학술지 《Polymer Testing》에 연구 결과 논문 게재

- 3D 프린팅 부품이 극한 환경에서 강해지는 원리 규명

경상국립대(총장 권진회)는 공과대학 기계공학부 박성제 교수 연구팀이 3D 프린팅 재료 압출(Material Extrusion, MEX) 방식으로 제작한 드론 부품에 −30℃~85℃ 열충격 100회 및 85℃·상대습도 85% 고온다습 168시간 시험을 적용한 결과, 대부분의 조건에서 인장강도가 유지되거나 수치적으로 증가했으며 실물 드론 부품의 주요 치수 변화가 ±1% 이내로 유지됨을 확인했다고 밝혔다. 이번 연구는 한국생산기술연구원 3D프린팅제조혁신센터와의 공동연구로 수행됐다.

3D 프린팅 기술은 최근 시제품 제작을 넘어 자동차·항공우주·드론 등 실제 산업용 부품 제조로 활용 범위가 확대되고 있다. 그중 MEX 방식은 다양한 열가소성 플라스틱을 사용할 수 있고 복잡한 형상을 비교적 간단하게 제작할 수 있어 주목받고 있으나, 소재를 층별로 쌓는 공정 특성상 층간 계면과 내부 공극(空隙)이 존재한다. 따라서 급격한 온도 변화나 고온·고습과 같은 가혹환경에서 기계적 성능과 형상 안정성을 유지할 수 있는지에 대한 신뢰성 검증이 필수적이었다. 기존 3D 프린팅 기반 드론 연구는 경량화·구조 설계·제작 공정 최적화 등 부품의 설계·제작에 집중해온 반면, 실제 비행 과정에서 고도 변화에 따른 급격한 온도 변화나 고온·고습 등 운용 환경을 반영한 내구성 평가는 상대적으로 부족한 실정이었다.

연구팀은 다양한 소재를 MEX 방식으로 시험편으로 제작한 뒤, −30℃와 85℃를 반복하는 100회의 열충격(thermal shock) 시험과 85℃·상대습도 85% 조건에서 168시간의 고온다습(hot-humid) 시험을 실시했다. 그 결과, 기존 사출성형 플라스틱에서 열 및 습도 노출 후 일반적으로 보고되던 기계적 성능 저하 경향과 달리, MEX 방식 시험편은 대부분의 조건에서 인장강도가 유지되거나 수치적으로 증가하는 경향을 보였다. 연구팀은 이러한 현상의 원인을 MEX 공정 특유의 층상 구조에서 찾았다. 환경시험 과정에서 가해진 열이 적층된 필라멘트 사이의 결합을 촉진하고 내부 공극을 감소시키면서 층간 결합이 안정화된 것으로 분석됐다.

연구팀은 이 결과를 실물 드론 부품으로 확장해 드론 몸체와 날개를 직접 제작하고 열충격 시험을 실시했다. 시험 후에도 주요 치수 변화가 ±1% 이내로 유지되고 부품의 재조립이 가능함을 확인함으로써, MEX 방식 3D 프린팅 부품이 실제 드론 운용 환경에서도 충분한 형상 안정성을 가질 수 있음을 실험적으로 제시했다. 그 결과는 「Evaluation for thermal shock and hot-humid of material-extruded parts in additive manufacturing」(제1저자 배승리, 전해성)이라는 제목으로 국제학술지 《Polymer Testing》(JCR 상위 4.1% [2025])에 게재됐다.

박성제 교수는 "이번 연구 결과는 금형이나 별도 치공구 없이 현장 맞춤형 부품을 직접 제작하고 유지·보수용 부품을 신속하게 공급할 수 있는 MEX 기술의 장점과 결합해, 향후 드론뿐 아니라 항공우주·자동차·모빌리티 등 다양한 산업 분야에서 적층 제조 부품의 신뢰성 평가 및 설계 기준을 마련하는 데 기초자료로 활용될 것으로 기대된다"고 말했다.

■ 논문 정보

·논문명: Evaluation for thermal shock and hot-humid of material-extruded parts in additive manufacturing

·제1저자: 배승리, 전해성 학부연구생

·공동저자: 이지은(한국생산기술연구원 3D프린팅제조혁신센터) 박사

·교신저자: 손용(한국생산기술연구원 3D프린팅제조혁신센터) 센터장, 박성제 교수

·Journal Link (DOI): https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142941826002254?via%3Dihub  

·사진 설명: 사진 왼쪽부터 박성제 교수 연구팀(왼쪽부터 배승리 기계공학부 학부생, 전해성 기계공학부 학부생, 이지은 한국생산기술연구원 3D프린팅제조혁신센터 박사, 손용 한국생산기술연구원 3D프린팅제조혁신센터 센터장, 박성제 기계공학부 교수)

담당 부서: 기계공학부 박성제 교수 | 055-772-1622