3.1 기공 (Porosity)

기공은 고체 내부에 존재하는 빈 공간(void space)을 의미하며, PBF 및 DED 공정에서 가장 흔하게 관찰되는 적층 결함 중 하나이다. 이는 적층 제조 과정에서 공정이 완전하게 수행되지 못할 경우 금속 적층 조직 내부에 공극이 형성되는 현상을 의미한다. 기공의 발생은 적층물의 밀도 저하 뿐만 아니라 기계적 강도, 인성 및 피로 저항성의 감소를 초래하여 부품의 신뢰성에 심각한 영향을 미칠 수 있으며, 기공의 크기·형상·분포에 따라 기계적 시험 결과 해석이 크게 달라질 수 있다^{[33, 59, 65]}. 기공은 주로 분말의 낮은 충전 밀도, 불완전한 가스 배출, 키홀 현상, 융합부족 등의 원인에 의해 형성된다.

3.1.1 가스 기공 (Gas porosity)

가스 기공은 적층 제조 공정 중 용융풀 내부에 혼입된 가스가 응고 과정에서 외부로 배출되지 못하고 잔존하여 형성되는 결함으로, 일반적으로 구형의 형상을 갖는다(그림 1a)^[27]. 이 결함의 원인은 원료 금속 분말 내 잔류 가스 또는 챔버 내 보호가스(Ar, N₂)가 용융풀 내부로 혼입되면서 발생한다.

일반적으로 가스 분무 공정으로 형성되는 분말의 기공률은 0.1-0.3%로^{[33, 34]}, 가스 분무 공정으로 제조된 분말을 원재료로 사용할 경우 분말이 기공의 원인이 될 수도 있다. 또한, 분말 공급 과정에서 보호가스 일부가 분말과 함께 유입될 수 있으며, 용융풀 내 표면장력 차이에 의해 형성된 유체 흐름에 따라 용융풀 속으로 유입될 가능성 있다^{[35, 36]}.

한편, DED 공정은 분말 또는 와이어가 캐리어 가스 및 보호가스와 함께 용융풀 외부에서 공급되는 공정 특성을 가지며, 용융풀의 크기와 열적 변동성이 상대적으로 크다. 이러한 특성으로 인해 용융풀 내 국소적인 가스 혼입 가능성이 증가할 수 있으며, 일반적으로 PBF 공정에 비해 더 많은 수의 기공이나 상대적으로 큰 크기의 기공이 형성될 가능성이 있는 것으로 보고되고 있다^[37]. 따라서 이러한 가스 기공은 레이저 스캔 및 용융 경로 주변이나 층간 융합이 불완전한 영역에서 주로 관찰된다.

Fig. 1. Representative micrographs of typical defects observed in L-PBF: (a) gas porosity, (b) keyhole porosity, (c) lack-of-fusion defect, (d) balling, and (e) thermal crack^[50].

3.2 융합부족 (Lack Of Fusion, LOF)

융합부족은 적층 과정 중 불충분한 에너지 입력으로 인해 분말 또는 이전 적층층이 완전히 용융·결합되지 못하고, 조직 내부에 용융되지 않은 영역이 잔존하여 발생하는 결함이다^{[17, 27]}. 이 결함은 주로 용융풀 경계(melt pool boundary) 부근에서 관찰되며(그림 1c), 일반적으로 크고 불규칙한 형상과 날카로운 모서리를 갖는 것이 특징이다^[10]. 이러한 형상적 특성으로 인해 응력 집중이 발생하기 쉬워, 기계적 강도 저하 뿐만 아니라 피로 수명 감소 및 균열 발생 가능성을 증가시키는 치명적인 결함으로 알려져 있으며, 기계적 특성 평가 시 다른 기공형 결함과 구분하여 해석해야 할 필요성이 크다^[13].

3.3 균열 (Crack)

균열은 적층 과정 중 발생하는 급격한 열 변화, 응고 수축 및 잔류응력 등의 영향으로 인해 재료 내부 또는 층간에서 형성되는 국부적인 파괴 현상을 의미한다(그림 1e). 적층 제조 공정은 높은 용융 온도와 빠른 냉각 속도를 특징으로 하며, 이로 인해 형성되는 큰 온도 구배는 균열 발생의 주요 원인으로 작용할 수 있다^[42]. 이러한 온도 구배는 높은 잔류응력을 유발하고, 이는 균열 형성을 유도하는 기계적 구동력으로 작용한다^{[14, 20]}. 균열은 발생 위치와 형성 메커니즘에 따라 응고 균열, 입계 균열, 층간 균열(박리) 등으로 분류될 수 있다^[42]. 기공 결함과 달리 균열은 발생 시점부터 구조적 건전성에 직접적인 영향을 미치므로, 결함 검출 뿐 아니라 시험 결과의 합격/불합격 판단 기준 설정에서 특히 중요한 고려 요소가 된다.

3.4 형상 왜곡 (Geometrical distortion)

형상 왜곡은 적층 공정 중 발생하는 열변형이나 잔류응력의 축적으로 인해, 설계된 공칭 치수 및 형상과 실제 제조된 적층물의 형상 사이에 차이가 발생하는 결함을 의미한다. 이는 주로 치수 오차, 형상 뒤틀림 및 표면 거칠기 증가 등의 형태로 나타난다^[43]. 형상 왜곡은 결함의 ‘발생 여부’뿐 아니라 치수 공차 및 조립성 등 기능 요구사항의 충족 여부와 직결되므로, 적용 목적(연구/품질보증/인증)에 따라 평가 기준을 달리 설정할 필요가 있다.

특히 DED 공정은 분말 또는 와이어가 용융풀로 직접 공급되는 공정 특성과 상대적으로 높은 열 입력으로 인해, 잔류응력과 변형이 누적되어 형상 왜곡이 발생할 가능성이 더 높은 것으로 보고되고 있다^{[44, 45]}. 대표적인 형상 왜곡 유형으로는 적층 상단 표면의 뒤틀림, 모서리 결함, 위성 결함, 그리고 기판으로부터의 부분적 분리 현상 등이 있다^[45].

3.5 표면 조도 불량 (Poor surface roughness)

표면 조도 불량은 레이저 파워, 스캔 속도, 층 높이 등과 같은 공정 매개변수의 영향을 받아 표면이 거칠거나 균일하지 않게 형성되는 결함을 의미한다^{[22, 24]}. 대표적인 형태로는 볼링(balling), 비산(spattering), 녹지 않은 분말(unmelted powder)의 부착 등이 있다. 표면 조도는 기계적 성능(특히 피로)과 시험 결과에 미치는 영향이 크므로, ‘as-built’ 조건을 기준으로 비교할 때 해석의 일관성이 크게 좌우될 수 있다.

챔버 내 잔류 산소가 존재할 경우, 용융풀의 산화로 인해 표면에 산화물이 형성되고 이는 용융풀의 젖음성을 저하시켜 기판과의 접촉을 약화시킨다^[24]. 그 결과 용융풀이 균일하게 퍼지지 못하고 수축하면서 볼링 현상이 발생할 수 있다(그림 1d)^[46]. 한편, PBF 공정은 분말을 얇게 도포한 후 선택적으로 용융·적층하는 방식으로, 일반적으로 DED 공정보다 우수한 치수 정밀도와 표면 조도를 나타낸다^{[47, 44]}.

3.6 산화 및 오염 (Oxidation and contamination)

산화 및 오염은 적층 제조 공정 중 금속 분말이나 용융 금속이 잔류 산소, 수분 또는 외부 불순물과 반응하거나 혼입되면서 발생하는 결함을 의미한다. 불활성 가스는 이러한 산화를 억제하는 역할을 수행하지만, 챔버 내 잔류 산소는 완전히 제거되기 어렵고 가공 시간, 가스 공급 조건 및 분말 특성에 따라 변동될 수 있다^{[47, 48]}. 산화·오염은 결함의 직접적 발생 뿐 아니라 공정 안정성 및 재현성에 영향을 주기 때문에, 시험 결과가 분산될 때 원인 규명(공정/재료/환경)의 판단 근거로도 중요하다.

레이저 조사 중 산소와 반응하여 형성된 산화물은 용융풀 내에서 고체 상태로 존재하며, 높은 융점으로 인해 충분한 에너지 입력이 이루어지지 않을 경우 완전한 융합을 방해하여 내부 기공 형성을 유발할 수 있다^[49]. 또한 적층 제조에서는 비용 절감을 위해 재사용 분말이 활용되는 경우가 많은데, 이 과정에서 외부 오염물, 수분, 산화물 또는 이종 금속 입자가 혼입될 가능성이 더욱 증가한다^[50].

3.7 희석 (Dilution)

희석은 적층 제조 과정에서 새롭게 공급된 재료가 하부층 또는 기판의 용융 영역과 혼합되면서 조성이 변화하는 현상을 의미한다^[44]. 희석률은 용융풀 크기에 비례하며, 용융풀이 클수록 응고 시간이 길어져 아래 층과 새로운 층에 공급된 분말의 혼합 정도가 더 커진다^[49]. 희석은 조성 변화로 인해 재료 특성의 기준선(baseline)을 변화시킬 수 있으므로, 기계적·화학적 평가 결과의 직접 비교 시 해석 상의 주의가 요구된다.

적층 공정 중 용융풀이 지나치게 크면 아래층과 과도하게 섞이면서 조성 변화나 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)의 확대를 초래할 수 있어^[49], 최종 적층물의 기계적 및 화학적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 특히 DED 공정은 높은 에너지 입력으로 인해 상대적으로 큰 용융풀이 형성되고 냉각 속도가 감소하는 경향이 있어, PBF 공정에 비해 희석의 영향을 더 크게 받는 것으로 보고되고 있다^{[44, 47]}.

앞서 논의한 결함 형성 메커니즘과 공정 특성의 차이를 바탕으로, 표 2는 PBF 및 DED 공정에서 관찰되는 대표적인 결함 유형과 그 상대적인 발생 경향을 정성적으로 비교하여 정리한 것이다. 본 표는 개별 공정 조건이나 특정 장비에 대한 정량적 비교를 목적으로 하기보다는, 다수의 선행 연구 결과를 종합하여 각 공정 특성에 따른 결함 발생 경향을 개략적으로 나타낸 것이다. 따라서 본 표는 공정 간 우열을 판단하기 위한 절대적 기준이 아닌, 각 공정에서 상대적으로 발생 가능성이 높은 결함 영역을 구조적으로 식별하기 위한 참고 틀에 해당한다. 이러한 구분은 이후 논의될 결함 평가 방법과 ISO/ASTM 표준 적용의 우선순위를 설정하는 출발점으로 활용될 수 있다^{[22, 27, 47]}.

5.1 물리적 결함

적층물의 물리적 결함은 크게 내부 결함(internal defects)과 외부 결함(external defects)으로 구분된다. 내부 결함에는 공정 중 발생하는 기공, 융합부족 및 균열 형성 등이 포함되며, 외부 결함에는 재료의 적층 불안정으로 인한 형상 왜곡 및 표면 조도 불량 등이 포함된다. 이러한 물리적 결함은 적층물의 기계적 성능과 치수 정밀도에 직접적인 영향을 미치며, 결함의 종류와 분포 특성에 따라 시험 결과 해석이 달라질 수 있다. 따라서 물리적 결함의 형성 원인과 공간적 분포 특성을 고려한 평가 전략이 요구된다.

특히 내부 체적 결함은 재료의 유효 단면적과 상대밀도를 감소시켜 강도, 피로 수명 및 구조적 신뢰성에 직접적인 영향을 미친다. 이에 따라 적층 제조품의 품질 평가에서 상대밀도(relative density)는 내부 결함을 평가하는 가장 기초적인 지표로 활용되고 있으며, 관련 측정 방법은 ASTM F3637^[52]에 제시되어 있다.

상대밀도 평가를 위해 활용되는 대표적인 방법으로는 아르키메데스법, X선 CT 검사(XCT analysis), 가스 피크노미터(gas pycnometry), 금속 조직 이미지의 정량 분석(metallography), 그리고 초음파 검사(ultrasonic testing) 등이 있다. 각 평가 방법은 적용 범위와 해상도, 비용 및 불확실성 측면에서 차이를 가지므로, 시험편의 형상과 크기, 요구 해상도 및 평가 목적(연구용/품질 보증/인증)에 따라 적절한 방법을 선택하는 것이 필요하다.

5.1.5 금속 조직 검사

금속 조직 검사는 시편의 단면 이미지를 획득하여 밀도를 측정하는 방식이며, 관련 지침은 ASTM E1245^[64]에 제시되어 있다. 그림 3은 제조품을 절단한 후 표면 연마 및 전처리를 거쳐 밀도 측정용 시험편을 준비하는 과정의 개략도이다. 이 방법은 기공의 형상과 크기를 직접 관찰할 수 있다는 장점이 있으나, 시편을 잘라 내부 조직을 확인하는 파괴적 평가 방법으로 실제 생산 부품에 직접 적용하기에는 제약이 있으며, 시험편 단면의 일부만 분석하기 때문에 전체 체적 대비 기공의 대표성을 확보하기 어렵다는 한계가 있다^[27].

특히 기공의 공간적 분포가 불균일한 경우에는 분석 영역의 선택에 따라 측정 결과가 크게 달라질 수 있으므로, 통계적 신뢰성을 확보하기 위해 충분한 면적과 반복 측정이 요구된다^[27]. 따라서 금속 조직 검사는 절대적인 밀도 평가보다는, 결함 형상 분석이나 다른 비파괴 기법 결과를 해석하기 위한 보조적 기준으로 활용되는 경우가 많다.

Fig. 3. Schematic illustration of the specimen preparation process for metallographic analysis, including cutting, mounting, and surface polishing prior to density measurement.

이와 같이 금속 적층 제조 부품의 내부 결함 평가는 다양한 상대밀도 측정 방법을 통해 수행될 수 있으며, 단일 기법으로 수행되기보다는 평가 목적과 요구 신뢰도에 따라 적절한 측정 방법을 선택·조합하는 분석 설계 관점에서 접근할 필요가 있다.

상대밀도는 내부 결함 평가를 위한 유용한 기초 지표이지만, 상대밀도가 99.5% 이상인 고밀도 영역에서는 측정 기법의 분해능 한계로 인해 결함 특성 간의 미세한 차이를 충분히 반영하지 못할 수 있다. 실제로 아르키메데스법으로 99.7% 이상의 상대밀도를 보인 시편에서도 X선 CT 분석을 통해 국부적 기공 응집이나 비구형 기공이 확인되며, 이러한 형상적·공간적 특성이 기계적 특성 저하와 연계된 사례가 보고된 바 있다^{[65, 66]}. 이는 상대밀도 단일 지표에 기반한 품질 판단이 실제 결함 특성을 완전히 대변하지 못할 수 있음을 보여준다.

특히 고밀도 영역에서는 결함의 체적 분율보다 기공의 형상, 분포 및 정렬 특성이 피로 수명과 균열 개시 거동에 더 직접적인 영향을 미칠 수 있다^[65]. 따라서 내부 결함 평가는 상대밀도 지표와 함께 CT와 같은 보완적 분석 기법을 병행하여 해석하는 것이 바람직하다.

이러한 관점에서 표 3은 상대밀도 평가 방법을 Practicality 및 Reliability 측면에서 정리한 비교표로서, 특정 기법의 우열을 제시하기보다는 평가 목적과 적용 상황에 부합하는 방법 선택의 판단 근거를 구조화하여 제시했다. 즉, 상대밀도 측정은 “어떤 방법이 더 우수한가”의 문제가 아니라, “어떤 정보를 확보해야 하는가”에 따라 설계되어야 하며, 이는 이후 ISO/ASTM 표준 기반 평가 절차를 수립할 때 방법 선택의 논리적 기반으로 활용될 수 있다.

Table 3. Qualitative comparison of representative relative density evaluation methods in metal additive manufacturing.(Yes/No indicate applicability as a non-destructive testing (NDT) method; Low/Moderate/High represent relative levels based on reported trends rather than quantitative metrics.)

Evaluation aspects	Criterion	Archimedes	XCT	Gas pycnometry	Metallography	Ultrasonic testing
Practicality	NDT applicability	Limited	Yes	Yes	No	Yes
	Cost	Low	High	Moderate	Moderate	Low
	Speed	High	Low	High	Low	High
Reliability	Repeatability	Moderate	High	High	Moderate	Low
	Accuracy	Moderate	High	Moderate	High	Moderate
	Measurement uncertainty	Moderate	Moderate	Moderate	Low	High

5.2 화학적 결함

금속 적층 제조 공정에서 화학적 결함은 재료의 화학적 변화나 불순물 혼입을 통해 발생하며, 주로 산화 및 오염, 희석 등의 결함으로 나타난다^[49]. 이러한 결함은 적층 과정에서의 용융·응고 거동, 레이저–분말 상호작용, 공정 환경(산소·수분 농도), 분말 재사용 등에 의해 복합적으로 작용하여 발생한다. 특히 산소(O), 질소(N), 수소(H)와 같은 비금속 원소는 금속 적층 제조 공정 중 소재와 민감하게 반응하여 기공 형성, 취성 증가 및 불필요한 상변화를 유발할 수 있으며, 이는 결과적으로 적층물의 기계적 성능과 장기 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 따라서 화학적 결함의 평가는 단순한 조성 확인을 넘어, 적층 공정 최적화, 분말 품질 관리 및 공정 환경 제어, 공정 안정성 및 장기 성능을 판단하기 위한 핵심적인 근거로 작용한다.

7.1 인장시험

인장 시험은 금속 적층 제조품의 기계적 성능을 평가하는 가장 기본적인 시험 방법으로, 항복 강도, 인장 강도, 연신율 등 주요 기계적 특성을 정량적으로 제공한다. 금속 적층 제조품의 인장 특성 평가는 일반적으로 ASTM E8/E8M^[69] 및 ISO 6892-1^[70]을 기반으로 수행되며, 이들 표준은 시험편 형상, 시험 조건 및 하중–변형률 측정 방법을 규정하고 있다.

그러나 금속 적층 제조 공정에서는 적층 방향과 면내 방향에 따라 인장 거동이 크게 달라질 수 있어, 동일 부품 내에서도 적층 위치 및 열 이력에 따라 기계적 특성이 상이하게 나타난다. 이러한 이방성과 위치 의존성을 반영하기 위해 ISO/ASTM 52909^[68]에서는 적층 방향(0°, 45°, 90°) 및 부품 내 위치(상·중·하)에 따라 충분한 수의 시편을 채취하고, 동일 조건에서 기계적 특성을 비교하도록 규정하고 있다.

또한 적층 제조 금속에서는 용융풀 경계에서 형성되는 세포상 조직, 미세 원소 편석, 기공 및 잔류응력 등이 인장 거동에 직접적인 영향을 미치며, 시편의 표면 상태(as-built vs. machined)에 따라 연신율이 크게 달라질 수 있다. 급속 응고 및 반복적인 열 이력으로 인해 변형률 속도 민감성이 높게 나타나는 경우도 많으므로, 인장시험 시에는 변형률 제어 방식, 신장계(extensometer) 위치 및 표면 상태를 주요 고려 요소로 포함해야 한다. 이에 따라 ISO 6892-1^[70]에서 제시하는 변형률 속도 제어 또는 응력 속도 제어 방식의 선택과 ASTM E8/E8M^[69]의 구속 조건 차이를 함께 검토하는 것이 중요하다.

또한, 위와 같은 이유로 적층 제조품의 인장시험 결과는 동일한 강도 값을 나타내더라도, 미세조직, 표면 상태 및 잔류응력 조건에 따라 파단 위치와 연신 거동이 달라질 수 있으며, 단일 인장 결과만으로 장기 성능이나 피로 거동을 대표하기에는 한계가 있다.

7.2 압축시험

압축 시험은 축 방향 압축 하중을 받을 때 적층 금속의 변형 거동, 항복 특성, 좌굴·배럴링(barreling) 등의 기계적 반응을 평가하는 시험이다. ASTM E9^[71] 및 ISO 4506^[72]에서 규정된 절차를 따르며, 인장시험과 달리 좌굴을 방지하기 위해 시편 길이 대 직경비(L/D ratio)가 엄격히 제한된다^[87]. ASTM E9는 일반적인 금속 재료를 대상으로 한 압축시험 표준이나, ISO 4506은 초경합금(hardmetals)을 대상으로 제정된 표준이다. 하지만 명확한 항복점이 존재하지 않는 금속 재료의 압축 항복 거동을 정의하는 데에도 ISO 4506이 적용 가능하여 적층 제조 금속의 압축시험에 병행 활용되고 있다. 압축 시험에서 얻는 데이터는 항복 강도, 상항복점, 압축 강도, 영률, 탄성계수, 응력-변형 곡선 등이 있으며, 이러한 데이터로 재료의 압축 거동을 정량적으로 분석할 수 있다.

압축시험은 인장시험과 달리 기공의 개구(opening)보다는 기공의 체적 효과와 조직 이방성의 영향을 더 직접적으로 반영할 수 있어, 적층 제조 공정 특유의 방향성 및 위치 의존적 거동을 보완적으로 평가하는 데 유용하다.

특히 용융풀 방향과 수직한 방향에서는 항복 강도가 증가하거나 감소하는 경향이 나타날 수 있으며^{[88, 89, 17]}, 빌드 플레이트 근처 영역에서는 열적 누적으로 인해 항복 거동이 불균일해질 수 있다. 이에 따라 ISO/ASTM 52909^[68]은 압축 시편을 적층 높이의 상·중·하 위치에서 각각 채취하여 적층 제조 공정 특유의 위치 의존적 기계적 거동(location dependent mechanical properties)을 평가하도록 규정한다.

한편, 명확한 항복점이 존재하지 않는 재료의 경우, 비록 적층 제조 전용 표준은 아니지만 ISO 4506^[72]에서 규정하는 오프셋(offset yield strength) 방법을 적용하여 항복 강도를 정의한다(그림 6). 압축 시험편에서 좌굴이 발생하는 경우에는 L/D비를 감소시켜 좌굴의 영향을 최소화해야 하며, 그럼에도 불구하고 좌굴의 영향으로 항복점을 명확히 식별하기 어려울 때에는 오프셋 방법을 적용하여 해당 하중에서의 응력을 압축 항복강도로 정의한다. 반면, 좌굴 없이 하중–변형 곡선에서 항복점과 최대 하중이 명확히 구분되는 경우에는 항복점에서의 응력을 압축 항복 강도로, 최대 하중에서의 응력을 압축 강도로 각각 정의한다.

Fig. 6. Schematic stress–strain diagram illustrating the determination of compressive yield strength using the offset method^[72].

7.3 피로시험

피로 시험은 반복 하중 조건에서 재료의 손상 누적과 파단 거동을 평가하는 시험으로, 금속 적층 제조품의 장기 신뢰성을 판단하는 데 핵심적인 기계적 특성 평가 방법이다. 금속 적층물은 표면 거칠기, 내부 기공, 적층 경계 결함 등 공정 고유의 미세 결함을 포함하고 있으며, 이러한 결함은 피로 균열의 개시와 성장 거동에 직접적인 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. 따라서 피로시험은 단일 시험 조건이나 평균 수명값만으로 성능을 판단하기 어려우며, 시험 방식과 표면 상태, 결함 특성을 함께 고려한 해석이 요구된다.

적층 제조 공정에서는 분말 입도 분포 및 공정 변수에 따른 표면 거칠기, 기공의 크기와 분포, 적층 경계의 결합 등이 초기 균열의 발생 위치와 균열 성장 속도를 지배한다. 또한 적층 방향에 따른 조직 이방성으로 인해 금속 적층 제조품의 경우 기존 제조 방식과 비교하여 방향 의존성이 두드러지게 나타나는 사례가 보고되고 있다^{[17, 65, 68]}.

피로 시험은 시험 방식에 따라 하중 제어 피로 시험, 변형률 제어 피로 시험, 그리고 피로 균열 성장 시험으로 구분된다. 하중 제어 피로 시험은 ISO 1099^[73] 및 ASTM E466^[74]에서 규정되며, 주로 탄성 범위 내에서 일정한 하중을 반복적으로 가하는 조건에서 피로수명을 평가한다. 변형률 제어 피로 시험은 ISO 12106^[75] 및 ASTM E606/E606M^[76]에 따라 수행되며, 소성 변형이 동반되는 조건에서의 저주기 피로 거동을 평가하는 데 적합하다. 한편, 피로 균열 성장 시험은 ASTM E647^[83] 및 ISO 12108^[84]을 기반으로 수행되며, 균열 성장 임계값 영역(region I)에서부터 불안정 균열 성장 영역(region III)에 이르기까지 균열 성장 거동을 정량적으로 평가한다. 이러한 거동은 응력 강도 계수 범위(ΔK)에 따른 균열 성장 속도(da/dN)의 변화로 표현되며, 세 가지 특징적인 영역으로 구분될 수 있다(그림 7).

Fig. 7. Typical fatigue crack growth rate curve showing the three characteristic regions (Region I-III)^[87].

이 시험을 통해 응력 강도 계수 범위(ΔK), 임계 응력 강도 계수(ΔKth), Paris 법칙 계수(C, m) 등과 같은 주요 매개변수를 도출할 수 있다. 특히 금속 적층 제조품의 경우, ΔKth는 분말 재사용 여부, 표면 조도, 기공 분율 등에 따라 크게 변동될 수 있는 것으로 알려져 있으며^{[17, 89, 88]}, 이는 적층 공정 조건과 피로 성능 간의 밀접한 상관성을 보여준다.

또한 피로 시험 결과는 하중비(R-ratio), 시편 형상, 표면 상태 및 시험 주파수와 같은 시험 조건에 민감하게 반응하므로, ISO 및 ASTM 표준에서 규정하는 시험 조건과 보고 항목을 명확히 구분하여 해석할 필요가 있다. 특히 금속 적층 제조품의 경우, 표면 거칠기와 내부 결함 분포가 피로 균열의 개시 거동을 지배하는 경우가 많아, 시편 가공 여부 및 후처리 조건에 따른 시험 결과 차이를 표준 조건과 함께 명확히 기술하는 것이 필수적이다. 이는 서로 다른 연구 간 피로 수명 비교 또는 산업적 적용 판단 시 발생할 수 있는 해석 상의 혼선을 줄이기 위한 전제 요건이 된다.

7.4 경도시험

경도는 국부적인 기계적 저항성을 평가하는 대표적인 지표로, 금속 적층 제조품에서 형성되는 열영향 영역, 용융풀 경계 및 세포상 미세조직에 따른 기계적 불균질성(non-uniformity)을 정량적으로 파악하는 데 유용하다. 경도는 직접적인 구조 설계 강도 지표라기보다는, 적층 제조품 내 국부적 미세조직 차이와 기계적 불균질성을 비교·해석하기 위한 보조 지표로 활용되는 경우가 많다. 특히 금속 적층물은 급속 응고와 복잡한 열 이력으로 인해 동일 시편 내에서도 미세조직과 조성 분포가 불균일하게 형성되므로, 경도 분포 분석은 국부적 기계적 특성 변화를 평가하는 효과적인 방법으로 활용된다.

경도 시험은 압입(indentation), 반발(rebound), 긁음(scratch) 경도로 구분되며, 이 중 압입 경도 시험은 일정한 하중을 가하여 재료의 소성 변형 저항성을 평가하는 방식으로, 측정이 용이하고 재현성이 높아 가장 널리 사용된다^[90-92]. 경도 시험을 수행하기 위해서는 시험편 표면은 평탄하고 균일해야 하며, 산화물이나 이물질, 특히 윤활제가 완전히 제거된 상태로 표면을 전처리해야 한다. 또한 열 또는 냉간 가공에 의해 표면 변형이 발생하지 않도록 시편 준비 과정에서의 관리가 요구된다.

금속 적층 제조품은 급속 응고로 형성된 미세조직, 용융풀 경계 및 국부적인 원소 분포 변화가 내부에 존재하기 때문에, 동일 시편 내에서도 측정 위치에 따라 경도 값이 크게 달라질 수 있다. 특히 미세 기공 인접 영역이나 용융풀 경계에서는 경도 기울기(hardness gradient)가 나타날 수 있으며, 미소 하중 조건에서는 indentation size effect의 영향도 고려할 필요가 있다. 따라서 신뢰성 있는 경도 평가를 위해서는 적층 방향 및 적층 높이에 따른 측정 위치를 일관되게 정의하고 표준화하는 것이 중요하다.

경도 측정은 브리넬 경도(ISO 6506-1^[90]), 비커스 경도(ISO 6507-1^[91]), 로크웰 경도(ISO 6508-1^[92]) 등 기존의 국제표준을 기반으로 수행된다. 다만 금속 적층물의 경우 표면 거칠기와 미세 기공의 영향으로 측정 오차가 발생할 수 있으므로, 시편의 연마 상태와 표면 평탄도를 기존 벌크 재료에 비해 보다 엄격하게 관리할 필요가 있다. 따라서, 경도 시험 결과는 단독 성능 지표로 해석하기보다는, 미세조직 분석 및 인장·피로 시험 결과를 보완적으로 해석하기 위한 참고 지표로 활용하는 것이 바람직하다.

각 경도 시험법의 계산 방식은 표 5에 정리하여 제시하였으며, 결과 값의 표기 방법 및 세부 시험 조건은 해당 표준을 참조한다.

본 절에서 논의한 금속 적층 제조품의 기계적 특성 평가는 인장, 압축, 피로 및 경도 시험을 통해 서로 다른 하중 조건과 변형 거동을 다각도로 분석하는 방식으로 수행된다. 각 시험은 적층 방향성, 위치 의존성 및 공정 조건에 따른 기계적 응답의 차이를 상호 보완적으로 평가할 수 있도록 시험 목적에 맞게 조합·설계되어야 하며, 단일 시험 결과만으로 적층물의 기계적 성능을 판단하는 데에는 한계가 있다. 따라서 금속 적층 제조품의 신뢰성 있는 성능 평가를 위해서는 ISO/ASTM 표준에 기반한 복수의 기계적 시험을 상호 연계된 시험 체계로 구성하고, 그 결과를 종합적으로 해석하여 성능을 판단하는 접근이 요구된다.

특히 금속 적층 제조품은 공정 특성상 내부 결함 분포, 미세조직 형성 양상 및 적층 방향성에 따른 이방성이 복합적으로 작용하므로, 동일한 강도 수준을 보이더라도 장기 피로 성능이나 파손 거동은 크게 달라질 수 있다. 이러한 특성은 인장·압축·피로 시험의 결과를 독립적으로 해석하는 접근이 적층물의 실제 성능을 충분히 설명하지 못할 수 있음을 시사한다. 따라서 기계적 특성 평가는 결함 특성 및 미세조직 분석 결과와 연계된 통합적 해석 체계 위에서 수행되어야 하며, 시험 조건과 표준 적용 범위를 명확히 규정한 상태에서 비교·해석되어야 한다.

한편, 금속 적층 제조품의 기계적 특성 평가 과정에서는 다음과 같은 오해가 빈번하게 발생한다.

(1) 상대밀도나 인장 강도와 같은 단일 지표가 우수하면 전반적인 기계적 성능도 우수할 것이라는 인식으로, 피로 수명이나 파손 거동과 같은 장기 성능을 충분히 설명하지 못하는 경우

(2) 하나의 시험 방향 또는 위치에서 얻은 결과가 부품 전체의 성능을 대표할 수 있다는 가정으로, 적층 제조 고유의 방향성 및 위치 의존성을 간과하는 경우

(3) 기계적 시험 결과를 결함 특성이나 미세조직 분석과 분리하여 해석함으로써, 동일한 시험 수치가 상이한 성능 거동으로 이어지는 원인을 충분히 설명하지 못하는 경우

이와 같은 오해는 시험 방법 자체의 문제가 아니라, 시험 결과를 해석하고 비교하는 기준이 체계적으로 설정되지 않았을 때 반복적으로 발생한다는 공통점을 가진다. 따라서 금속 적층 제조품의 기계적 성능 평가는 개별 시험 결과의 단순 비교를 넘어, 결함–미세조직–시험 조건–적용 표준을 연계하여 해석하는 표준 기반 통합 평가 체계 위에서 수행되어야 한다. 이는 공정 간 비교의 타당성을 확보하고, 산업적 적용 판단의 신뢰성을 제고하기 위한 필수 전제 조건이다.

9.1 적층 제조 국제표준의 계층 구조와 제정 현황

현재 ISO/ASTM에서 제정 중인 적층 제조 국제표준은 적용 범위와 목적에 따라 체계적으로 분류되어 개발되고 있다. 구체적으로, 적층 제조 표준은 크게 다음의 세 개 계층 구조로 구분된다. 기본적인 측면을 포괄하는 (1) 적층 제조 일반과 관련된 표준(General Top-level AM Standards)과 (2) 재료 및 공정 카테고리에 따른 적층 제조 표준(Category AM Standards), (3) 재료, 공정에 특화된 표준(Specialized AM Standards)의 계층으로 구분되며, 이러한 계층적 구조를 바탕으로 적층 제조 관련 표준은 단계적으로 확장·정비되고 있다.

2026년 2월 기준 공개된 ISO/TC 261적층 제조 표준은 총 53종이며, 현재 위원회 내에서 16종의 국제표준이 개발 중에 있다^[93]. 이와 같은 수적 확대는 산업 적용의 가속화를 반영하지만, 동시에 공정별 표준 성숙도의 차이를 드러내는 지표이기도 하다. 현재까지 개발된 ISO/ASTM 적층 제조 국제표준(총 53종)의 구성을 살펴보면, 적층 제조 일반 관련 표준은 21종, 폴리머·플라스틱 적층 제조 7종, 금속 적층 제조 14종, 응용산업 특화 표준 4종, 그리고 데이터·품질·시험·안전 등 공통 기반 표준 7종으로 구성된다. 이는 적층 제조 표준 체계가 개념·설계 기반 정립 단계에서 출발하여, 재료 및 공정별 세부 기술 규격과 산업 적용 요건, 그리고 품질·인증 체계로 점진적으로 확장되고 있음을 보여준다.

금속 적층 제조 관련 표준 중 PBF 관련 표준이 월등히 많은 특징이 보이는데, PBF 공정 검증(ISO/ASTM 52904^[59]), 분말 특성 평가(ISO/ASTM 52907^[94]), 장비 성능 평가(ISO/ASTM 52929^[95]) 등 세부 표준이 활발히 제정되고 있다. 특히 PBF 공정은 분말층 형성, 에너지 밀도 제어, 스캔 전략 등 다수의 공정 변수가 기계적 특성과 결함 형성에 직접적으로 영향을 미치는 특성을 가지므로, 분말–장비–공정–완성품 특성 평가에 이르는 전주기적 표준 체계가 비교적 이른 시기부터 구축되어 왔다. 이는 항공·의료·자동차 산업에서 PBF 공정을 통한 금속 부품 적용의 수요가 폭발적으로 증가하고 있기 때문이다. 최근에는 장비 수용시험, 공정 모니터링 데이터 관리, 결함 분류 체계 등 신뢰성 확보를 위한 표준까지 확대되는 추세를 보인다.

한편, DED 관련 표준은 상대적으로 적으나, 최근 산업 확대에 따라 DED 결함 평가 및 품질 기준 표준(ISO/ASTM 52943^[96])이 개발 중이다. DED 공정은 와이어 또는 분말을 직접 용융·적층하는 방식으로 대형 구조물 제작 및 보수·재제조 분야에서 활용성이 높지만, 공정 변수의 복합성과 적용 산업의 다양성으로 인해 표준화 범위 설정이 상대적으로 복잡한 특징을 가진다. 이에 따라 현재까지는 운용 인력 자격, 공정 관리 및 결함 평가 중심의 표준이 우선적으로 정비되고 있으며, 향후 대형 구조물 및 에너지·우주 산업 수요 증가에 따라 시험 방법 및 인증 체계가 보다 구체화될 것으로 예상된다.

이와 같이 ISO/ASTM 적층 제조 표준은 공정 및 응용 분야별로 점진적으로 확장되고 있으나, 공정 성숙도와 산업 적용 수준의 차이로 인해 표준 제정에 편중 현상이 나타나며, 이는 이후 시험법 및 품질 평가 기준의 불균형으로 이어질 수 있다. 따라서 향후에는 PBF 중심의 표준 편중을 완화하기 위해, DED 및 기타 금속 적층 공정에 대한 표준 체계의 체계적 보완 및 균형 있는 확장이 필요하다.

9.2 ISO-ASTM 시험법 및 형상 등 표준 불일치

한편, ISO와 ASTM은 적층 제조와 관련하여 다양한 표준을 제정하고 있으나, 동일한 시험법을 다르게 규정하고 있는 경우도 있다. 예를 들어, 압축시험의 경우 ISO에서는 봉형인 ISO 4506^[72]을 적용하는 반면, ASTM에서는 원통형 ASTM E9^[71]를 사용한다. 적층 제조에 사용되는 금속 분말의 탭 밀도를 측정하는 경우 ISO에서는 ISO 3953^[97]을, ASTM에서는 ASTM B527^[98]를 적용한다. 두 표준은 동일한 시험법이지만, 겉보기 밀도 범위의 설정에 따라 권장되는 실린더 용량과 시험 시료 질량을 선택하는 기준에서 차이가 있다. 또한, ISO와 ASTM은 과거에 적층 제조 공정으로 제작된 적층물이 시험에 적용되는 주요 요구사항을 다룬 ISO 17296-3^[99] 표준과 적층 제조 공정을 통해 제조된 금속 재료의 기계적 특성 평가를 위한 표준 가이드인 ASTM F3122^[85]을 각각 제정한 바 있다. 최근에는 이 두 표준을 통합·개정한 ISO/ASTM 52927^[86]이 제정되어, 적층물의 주요 특성과 시험 방법을 일관된 체계 안에서 규정하고 있다.

이와 같은 사례들은 시험 목적이 동일하더라도, 적용되는 표준의 선택에 따라 시험 조건과 결과 해석의 범위가 달라질 수 있음을 보여준다. 이는 개별 표준의 우열 문제라기 보다, 적층 제조 분야에서 표준 선택 자체가 결과 해석의 불확실성과 비교 가능성에 직접적인 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.

9.3 적층 제조 산업의 신뢰성 확보 전략

금속 적층 제조 공정은 공정 편차가 크고 재현성이 낮은 특성이 있어, 표준화된 절차를 적용하더라도 실험실 간 데이터 불일치가 자주 발생한다. 이를 해결하기 위한 국제적 접근이 바로 라운드 로빈 테스트(Round Robin Study, RRS) 이며, ISO/ASTM TR 52917^[100]에서 체계적으로 정의하고 있다.

RRS는 여러 실험실이 동일한 시험 방법과 시료를 사용하여 시험을 수행하고, 그 결과의 일치도와 신뢰성을 검증하는 절차를 규정한다. 이는 적층 제조 공정의 고유 변동성과 실험실 간 편차를 통계적으로 검증하기 위한 체계적 도구로 기능한다. RRS는 적층 제조를 통해 제작된 시험편의 설계, 후처리, 시험 환경의 차이에 따른 결과 편차를 분석한다. 이는 총 12단계로 구성되며, 시험 목표 설정 → 공정계획 수립 → 시편 생산 → 시험 계획 배포 → 참여 기관 수행 → 데이터 취합 및 통계 분석 → 결과 보고 순으로 수행된다. 이를 통해 적층 제조 공정에서 시험편 설계, 후처리 조건, 시험 환경 및 데이터 처리 방식 차이에 따른 결과 편차를 정량적으로 평가할 수 있다.

이와 같이 RRS는 단순한 상호 비교 절차가 아니라, 시험 표준의 적용 타당성과 재현성을 사전에 검증하는 구조적 검증 체계로 기능한다. 특히 적층 제조와 같이 공정 변동성이 큰 분야에서는 RRS를 통해 축적된 데이터가 향후 시험 표준의 개정 방향과 허용 오차 설정에 중요한 근거를 제공한다. 따라서 RRS는 적층 제조 분야에서 시험 표준의 신뢰성과 산업 적용 가능성을 확보하기 위한 핵심적인 검증 메커니즘으로 이해될 수 있다.

9.4 적층 제조 표준의 향후 제정 방향

금속 적층 제조 공정에서 적층 위치, 적층 방향, 스캔 전략 등과 같은 공정 변수는 적층물의 미세조직과 결함 분포에 직접적인 영향을 미치며, 열처리·표면 가공 등 후처리 조건 역시 적층물의 인장·압축·피로 등 기계적 특성에 중요한 변화를 초래한다. 그럼에도 불구하고 현재 ISO/ASTM 표준 체계에서는 시험편 위치 및 방향(ISO/ASTM 52909^[68])과 후처리 및 검사·시험 요구사항 (ISO/ASTM 52908^[60])이 개별 표준으로 분리되어 제정되어 있다.

이로 인해 시험편 위치·방향·후처리 조건을 하나의 시험 설계 및 해석 체계 안에서 통합적으로 연결하는 구조는 아직 충분히 제도화되어 있다고 보기 어렵다. 금속 적층 제조의 산업적 적용이 시제품 단계를 넘어 양산 및 품질 인증 단계로 확장되고 있는 현 시점에서, 시험 조건과 해석 전제를 구조적으로 연계하는 표준 체계의 정비는 더욱 중요해지고 있다.

재현성 있는 기계적 특성 평가를 위해서는

(1) 시험편 제작 위치의 명확한 정의,

(2) 적층 방향에 따른 시험축의 설정,

(3) 후처리 및 가공 조건의 체계적 기록

이 상호 연계된 형태로 규정될 필요가 있다. 이는 단순한 절차 보완이 아니라, 시험 결과의 비교 가능성과 해석 범위를 구조적으로 규정하기 위한 조건에 해당한다.

이러한 통합적 접근의 필요성은 이미 국가 차원의 표준 제정 노력에도 일부 반영되고 있다. 국내에서는 2021년 국가기술표준원을 통해 KS D 5281^[101]이 제정되어, 적층 위치와 적층 방향을 기계적 성능 평가 절차에 명시적으로 반영하였다. 이는 적층 제조 특유의 방향성과 위치 의존성을 표준 체계 안에서 다루고자 한 선도적 제도적 기반으로 이해될 수 있다.

국가 차원의 표준 제정은 단순히 시험 기준을 마련하는 기능을 넘어, 품질 인증·조달·수출과 같은 산업 활동의 제도적 기반을 형성하며, 산업 생태계 전반의 평가 체계를 정렬시키는 기능을 수행한다. 이러한 맥락에서 KS D 5281은 국내 적층 제조 산업의 성장 단계에 대응하여 기계적 특성 평가 체계를 체계화하려는 노력의 일환으로 의미를 가진다.

앞서 본 연구에서 제시한 통합적 신뢰성 평가 관점에 비추어 볼 때, 향후 적층 시험편 위치·적층 방향·후처리 이력·시험 조건을 하나의 통합된 시험 설계 및 해석 체계로 정교하게 연계한다면, 국내 표준은 단순한 시험 규격을 넘어 산업 현장에서 활용 가능한 신뢰성 평가 기준으로 기능할 수 있을 것이다. 이는 기관 및 기업 간 시험 결과의 비교 가능성을 높이고, 품질 인증 및 부품 승인 과정의 효율성을 개선하며, 적층 제조 부품의 상용화 속도를 가속하는 기반이 될 수 있다.

나아가 이러한 통합적 평가 체계는 ISO/ASTM 국제표준 논의에서 시험 설계와 해석 전제를 구조적으로 연결하는 모델로 제안될 수 있을 것이며, 이는 국내 산업이 국제표준의 수용자에 머무르지 않고, 적층 제조 신뢰성 평가 체계의 형성 과정에 기여하는 주체로 참여할 수 있는 기반을 제공할 것이다. 또한 이러한 발전 방향은 국내 적층 산업의 신뢰성을 강화하고 영향력을 확장하는 동시에, 적층 제조 특성 평가 체계의 구조적 정합성을 국제적 표준 체계 안에서 보다 명확히 반영하는 데 기여할 것이다.

지금까지 본 장에서는 ISO/ASTM 국제표준의 제정 현황과 구조적 특징을 정리하고, 표준 간 불일치로 인한 한계와 이를 보완하기 위한 신뢰성 확보 전략을 논의하였다. 이러한 논의를 종합하면, 금속 적층 제조 분야에서 개별 표준의 이해를 넘어, 결함–미세조직–기계적 특성 평가를 하나의 표준 기반 해석 틀로 통합하려는 접근의 필요성이 분명해진다. 즉, 표준은 단순한 시험 절차의 집합이 아니라, 결과 해석의 범위와 비교 가능성을 규정하는 신뢰성 평가의 구조적 기반으로 이해되어야 한다.

이러한 맥락에서 본 리뷰는 개별 ISO/ASTM 표준을 단순히 나열하는 데 그치지 않고, 적층 결함–미세조직–기계적 특성 평가를 표준이라는 공통 기준 위에서 연결하여 해석할 수 있는 틀을 제시한다. 또한 표준 간 불일치와 적용 조건 차이가 시험 결과 해석에 미치는 영향을 체계적으로 정리함으로써, 표준 선택 자체가 평가 결과의 신뢰성과 비교 가능성을 좌우할 수 있음을 강조하였다. 이러한 표준 기반 정리는 향후 적층 제조 부품의 특성 평가 전략 수립과 통합 시험 표준 개발을 위한 참고 프레임으로 활용될 수 있을 것이다.