국립고궁박물관 소장 어보의 디지털 데이터를 활용한 금속 PLA 3D 프린팅 기반 역주조Reverse Casting 공법 기초 연구
Reverse Casting Using Metal PLA 3D Printing: A Study Based on Digital Data of Royal Seals from the National Palace Museum, Korea
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초록
금속 PLA를 이용한 3D 프린팅 기반 역주조Reverse casting 공법을 금속 문화유산의 새로운 복원 기술로 활용하고자 한다. 본 연구는 국립고궁박물관에서 소장 중인 어보인 국새 〈유서지보(고궁1991)〉의 3D 스캔 데이터를 활용하여 금속 PLA 3D 프린팅 기반 역주조 공법의 적용 가능성과 재료적 특성을 평가하였다. 연구는 청동 분말이 혼합된 PLA 필라멘트를 이용하여 재료 압출 방식FDM의 3D 프린팅으로 진행하였고 출력된 어보를 전기로를 이용하여 열처리하였다. 역주조 공법의 특성 및 적용성 평가는 출력물의 표면 형상과 미세조직 분석, 내부 밀도X선 투과 촬영, 성분 분석X선 형광분석을 통해 이루어졌다. 금속 PLA 내 금속 분말 함량별 예비 실험 결과, 60% 금속 분말 함량에서는 열처리 중 구조적 변형이 발생하여 역주조 공법 적용이 부적합하였다. 80% 함량에서는 부분적으로 금속 광택이 관찰되었으나 열처리 과정에서 상단 일부가 변형되었고 X선 투과 촬영에서 상하부 밀도의 편차가 확인되었다. 반면, 90% 금속 함량 시편은 열처리 이후에도 명확한 금속 광택과 균일한 내부 밀도가 유지되었고 형태적 변형 없이 안정적으로 역주조가 이루어졌다. 역주조 공법으로 제작된 국새 〈유서지보〉는 금속 고유의 광택을 나타냈으며 미세조직 관찰에서 금속 입자의 조밀화 및 조대화가 확인되었다. 성분 분석 결과, 합금 조성은 실제 청동 재료와 유사한 것으로 나타났다. 또한 X선 투과 촬영에서는 적층 방향과 관련된 미세 결함이 일부 발견되었으나 어보의 전통적인 제작 방식인 일체형 주조 방식과의 형태적 유사성을 보였다. 본 연구 결과는 금속 PLA 기반의 역주조 공법이 금속 문화유산 복원에 있어 형태적·재료적 재현성을 확보할 가능성을 시사하며 디지털 전환 시대에 적합한 보존과학 기술의 새로운 방향을 제시한다.
Abstract
This study investigates the reverse casting technique that uses metal PLA-based fused deposition modeling (FDM) with a view to the restoration and replication of metal cultural heritages. A high-resolution 3D scan of the Gukseo yuseojibo (a royal seal preserved by the National Palace Museum of Korea) was employed to generate a digital model. The artifact was printed using a bronze-filled PLA filament containing 90% metal powder, and was subsequently sintered through a controlled thermal process. The post-sintering analysis of the seal revealed a metallic sheen, a densified microstructure, and compositional fidelity to traditional bronze alloys, while X-ray radiography confirmed its uniform internal density, and X-ray fluorescence spectroscopy verified its elemental consistency with bronze. Although minor defects appeared in geometrically intricate areas due to the layer-by-layer orientation of the printing process, its overall structural integrity was preserved. These findings demonstrate the feasibility of metal PLA-based reverse casting as a digitally driven, material-authentic method of replicating the metal components of a cultural heritage, offering a promising direction for heritage conservation based on the use of additive manufacturing technologies.