3D 프린팅용 금속 재료 개요
3D 프린팅, 일명 적층 제조를 사용하면 3D CAD 데이터에서 직접 복잡한 금속 부품을 제작할 수 있습니다. CNC 가공과 같은 기존의 감산 방식과 달리 3D 프린팅은 전용 툴링이나 고정 장치 없이도 부품을 한 층씩 쌓아 올립니다.
금속 3D 프린팅은 복잡한 형상의 맞춤형 경량 고성능 금속 부품을 생산할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다. 항공우주, 자동차, 의료 및 방위 산업에서 최종 사용 생산 애플리케이션을 위해 금속 3D 프린팅을 점점 더 많이 채택하고 있습니다.
하지만 모든 금속을 쉽게 3D 프린팅할 수 있는 것은 아닙니다. 가장 일반적으로 사용되는 금속 재료는 알루미늄, 티타늄, 니켈, 스테인리스 스틸 및 코발트-크롬 합금입니다. 재료 선택은 강도, 내식성, 고온 성능, 생체 적합성 등 특정 응용 분야 요구 사항에 따라 달라집니다.
이 종합 가이드는 3D 프린팅에 사용되는 다양한 금속과 합금에 대한 자세한 개요를 제공합니다. 인기 있는 금속 소재의 구성, 특성, 응용 분야, 장단점을 설명하여 필요에 맞는 소재를 선택할 수 있도록 도와드립니다.
금속 3D 프린팅 재료에 대한 핵심 사항:
- 알루미늄 합금은 저렴한 비용으로 우수한 중량 대비 강도 비율과 내식성을 제공합니다.
- 티타늄 합금은 의료용에 적합한 낮은 밀도와 생체 적합성으로 뛰어난 강도를 제공합니다.
- 스테인리스 스틸은 툴링 및 기능성 부품에 적합한 높은 강도와 내식성을 제공합니다.
- 니켈 초합금은 고온을 견딜 수 있어 항공 우주에 적합합니다.
- 코발트-크롬 합금은 치과용 및 의료용 임플란트에 경도, 내마모성 및 생체 적합성을 제공합니다.
- 재료 선택은 기계적 요구 사항, 후처리 요구 사항, 비용 및 3D 프린팅 방법 적합성에 따라 달라집니다.
- 파트 방향, 서포트 구조, 레이어 두께 및 빌드 파라미터는 각 금속 소재에 맞게 최적화해야 합니다.
- 열간 등방성 프레스와 같은 후처리를 통해 최종 부품의 특성을 향상시킬 수 있습니다.
3D 프린팅용 금속 재료의 구성
금속의 합금 원소 구성과 미세 구조는 특정 특성을 제공하고 3D 프린팅에 대한 재료의 적합성을 결정합니다.
알루미늄 합금
알루미늄은 밀도가 낮고 내식성이 좋은 것으로 알려져 있습니다. 단조 및 주조 알루미늄 합금이 가장 일반적으로 사용됩니다:
| 합금 유형 | 작곡 |
|---|---|
| 6061 | Mg, Si, Cu, Cr |
| 7075 | 아연, 마그네슘, 구리, 크롬 |
| A356 | Si, Mg, Cu |
6061은 내식성이 우수하고 7075는 강도가 더 높습니다. A356은 주조 가능한 합금입니다.
티타늄 합금
티타늄은 무게 대비 강도와 생체 적합성이 높지만 가공이 어려울 수 있습니다. 일반적인 합금:
| 합금 유형 | 작곡 |
|---|---|
| Ti-6Al-4V | Al, V |
| Ti 6242 | Al, Sn |
Ti-6Al-4V는 가장 균형 잡힌 특성을 제공하며 가장 광범위하게 사용되는 티타늄 합금입니다.
스테인리스 스틸
스테인리스 스틸에는 내식성이 우수한 크롬과 니켈이 함유되어 있습니다. 일부 합금이 사용됩니다:
| 합금 유형 | 작곡 |
|---|---|
| 316L | Ni, Mo, Cr |
| 17-4PH | Ni, Cr, Cu |
| 303 | S, Cr, Ni |
316L은 우수한 내식성을 제공합니다. 17-4PH는 침전 경화 마르텐사이트 계 스테인리스강입니다.
니켈 초합금
니켈 초합금은 강도가 높고 극한의 온도에도 견딜 수 있습니다. 일반적인 합금:
| 합금 유형 | 작곡 |
|---|---|
| 인코넬 718 | Ni, Cr, Fe, Nb, Mo |
| 인코넬 625 | Ni, Cr, Mo, Nb |
인코넬 718은 항공우주 분야에서 광범위하게 사용됩니다. 인코넬 625는 내식성이 뛰어납니다.
코발트-크롬 합금
코발트-크롬 합금은 경도, 내마모성 및 생체 적합성을 제공합니다. 두 가지 주요 등급이 사용됩니다:
| 합금 유형 | 작곡 |
|---|---|
| CoCrMo | Co, Cr, Mo |
| CoNiCrMo | Co, Ni, Cr, Mo |
두 가지 모두 비슷한 특성을 제공합니다. CoCrMo가 더 널리 사용됩니다.
금속 재료의 기계적 특성
금속의 기계적 특성이 3D 프린팅 부품의 성능을 결정합니다. 다음은 일반적으로 사용되는 합금의 일반적인 특성입니다:
| 금속 소재 | 항복 강도(MPa) | 인장 강도(MPa) | 연신율(%) | 밀도(g/cm3) |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 230 | 450 | 8 | 2.68 |
| Ti-6Al-4V | 880 | 930 | 10 | 4.43 |
| 316L 스테인리스 스틸 | 290 | 515 | 40 | 8 |
| 인코넬 718 | 1138 | 1275 | 12 | 8.19 |
| 인코넬 625 | 550 | 860 | 35 | 8.44 |
| CoCrMo | 655 | 860 | 8 | 8.3 |
- 알루미늄 합금은 연신율이 우수하고 중간 정도의 강도를 제공합니다.
- 티타늄 합금은 낮은 밀도에 비해 매우 높은 강도를 제공합니다.
- 스테인리스 스틸 316L은 연성이 우수하고 내식성이 뛰어납니다.
- 인코넬 초합금은 매우 강하지만 연성이 떨어집니다.
- 코발트 크롬은 경도가 높아 인쇄 후 가공이 어렵습니다.
금속 3D 프린팅의 응용 분야
소재 선택은 최종 사용 분야와 특정 설계 요구 사항에 따라 달라집니다:
| 산업 | 애플리케이션 | 사용된 재료 |
|---|---|---|
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 구조용 브래킷 | 티타늄 합금, 인코넬, 스테인리스 스틸 |
| 자동차 | 맞춤형 부품, 툴링 | 알루미늄, 저합금강 |
| 의료 | 임플란트, 수술 기구 | 티타늄, 코발트 크롬 |
| 석유 및 가스 | 밸브, 펌프, 툴링 | 스테인리스 스틸, 인코넬 |
| 방어 | 복잡한 부품, 가벼운 갑옷 | 알루미늄, 티타늄 |
3D 프린팅 금속 부품을 활용하는 몇 가지 대표적인 애플리케이션입니다:
- 항공우주: 복잡하고 가벼운 브래킷 및 구조 부품
- 자동차: 모터스포츠 애플리케이션을 위한 맞춤형 부품
- 의료: 환자 맞춤형 임플란트 및 수술 기구
- 석유 및 가스: 파이프라인용 고성능 밸브 및 펌프
- 방위: 차량 및 장비용 상세하고 가벼운 부품
주요 금속 재료의 장단점
다음은 3D 프린팅에 널리 사용되는 금속 합금의 장점과 한계를 비교한 것입니다:
| 재질 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|
| 알루미늄 6061 | 저렴한 비용, 우수한 내식성 | 낮은 강도 |
| 알루미늄 7075 | 높은 중량 대비 강도 비율 | 용접하기 어려움 |
| 티타늄 Ti-6Al-4V | 고강도, 저밀도 | 고가의 재료 |
| 스테인리스 스틸 316L | 뛰어난 내식성 | 합금보다 낮은 강도 |
| 인코넬 718 | 극한의 온도에도 견딜 수 있습니다. | 기계에 대한 도전 |
| 코발트 크롬 | 뛰어난 착용감 및 생체 적합성 | 제한된 연성 |
금속 3D 프린팅 재료 공급업체
많은 회사에서 3D 프린팅 공정에 특화된 금속 분말과 와이어를 제공합니다:
| 재질 | 주요 공급업체 |
|---|---|
| 알루미늄 합금 | AP&C, 샌드빅, HC 스탁 |
| 티타늄 합금 | AP&C, TLS 테크닉, 테크나 |
| 스테인리스 스틸 | 샌드빅, 목수 첨가제 |
| 니켈 초합금 | AP&C, 샌드빅, 프렉스에어 |
| 코발트 크롬 합금 | AP&C, 샌드빅, SLM 솔루션 |
파우더 품질, 일관성, 입자 모양 및 크기 분포와 같은 요소는 최종 부품의 특성과 프린트 공정 안정성에 영향을 미칩니다. 평판이 좋은 공급업체는 AM에 적합한 특성화된 맞춤형 합금을 제공합니다.
금속 3D 프린팅 재료의 비용 분석
재료비는 금속 3D 프린팅에서 최종 부품 비용의 상당 부분을 차지합니다. 아래는 대략적인 가격 범위입니다:
| 재질 | Kg당 비용 | cm3당 비용 |
|---|---|---|
| 알루미늄 합금 | $50-$150 | $0.15-$0.45 |
| 티타늄 합금 | $350-$1000 | $1.00-$3.00 |
| 스테인리스 스틸 | $90-$250 | $0.25-$0.75 |
| 인코넬 718 | $350-$600 | $2.50-$4.50 |
| 코발트 크롬 | $500-$1200 | $3.50-$8.50 |
- 티타늄과 코발트 크롬 합금이 가장 비싸고 알루미늄은 적당한 가격입니다.
- 재료 비용은 빌드 볼륨에 따라 증가하며, 고가의 합금으로 제작된 대형 부품일수록 더 많은 재료 예산이 필요합니다.
- 서포트 낭비와 사후 처리를 줄이기 위한 최적화를 통해 효과적인 재료 비용을 절감할 수 있습니다.
금속 분말에 대한 표준
반복 가능한 고품질 인쇄를 보장하기 위해 3D 프린팅에 사용되는 금속 분말은 특정 최소 표준을 충족해야 합니다:
| 속성 | 주요 표준 |
|---|---|
| 입자 크기 분포 | ASTM B822, ISO 4490 |
| 유동성 | ASTM B213, ISO 4490 |
| 겉보기 밀도 | ASTM B212, ISO 3923 |
| 탭 밀도 | ASTM B527, ISO 3953 |
| 화학 성분 | ASTM E1479, OES 분석 |
- 파우더 품질은 밀도, 표면 마감 및 기계적 특성과 같은 최종 부품 특성에 영향을 미칩니다.
- 입자 크기 분포가 제어된 구형 분말은 유동성이 뛰어납니다.
- 일관된 화학적 특성과 밀도는 공정 안정성과 반복성을 제공합니다.
금속 3D 프린팅 방법
다양한 3D 프린팅 기술로 금속과 합금을 가공할 수 있습니다:
| 방법 | 재료 | 주요 이점 | 제한 사항 |
|---|---|---|---|
| 파우더 베드 퓨전 | 대부분의 합금 | 뛰어난 정확도와 표면 마감 | 느린 빌드 속도 |
| 직접 에너지 증착 | 대부분의 합금 | 기존 부품에 내장된 기능 | 낮은 해상도 |
| 바인더 분사 | 스테인리스 스틸 | 고속 인쇄 | 낮은 강도 |
| 금속 압출 | 제한된 합금 | 저렴한 장비 비용 | 낮은 밀도 |
- DMLS와 같은 파우더 베드 기술은 최고의 해상도와 정확도를 제공합니다.
- 바인더 젯팅은 더 광범위한 합금에 사용할 수 있지만 최종 부품 강도는 낮습니다.
- 직접 에너지 증착을 통해 그물 모양에 가까운 대형 부품을 프린팅할 수 있습니다.
후처리 요구 사항
금속 부품은 일반적으로 원하는 특성을 얻기 위해 후처리가 필요합니다:
| 포스트 프로세스 | 목적 | 사용된 재료 |
|---|---|---|
| 지원 제거 | 지원 구조물 제거 | 얇고 깨지기 쉬운 지지대가 있는 합금 |
| 스트레스 해소 | 잔여 스트레스 감소 | 모든 합금 |
| 열간 등방성 프레스 | 밀도 증가, 속성 향상 | 모든 합금 |
| 표면 마감 | 표면 거칠기 개선 | 모든 합금 |
| 열처리 | 미세 구조 수정 | 알루미늄과 같은 노화 경화 합금 |
| 가공 | 정확한 치수 및 표면 마감 | 대부분의 합금 |
- 왜곡을 방지하기 위해 모든 합금에 응력 완화 열처리를 권장합니다.
- HIP 처리는 최종 재료 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
- CNC 가공은 치수 정확도와 표면 마감을 제공합니다.
3D 프린팅용 금속 소재를 선택하는 방법
최적의 금속 소재를 선택하려면 다음 가이드라인을 따르세요:
- 합금 특성을 강도, 경도, 내열성 등과 같은 설계 요구 사항에 맞출 수 있습니다.
- 후처리 요구 사항 고려 - 인코넬과 같은 일부 합금은 가공이 까다롭습니다.
- 부품 크기와 형상을 평가합니다. 알루미늄과 같은 일부 금속은 대형 부품에 더 적합합니다.
- 생산량 평가 - 저렴한 재료로 프로토타입을 제작한 후 고성능 합금으로 전환합니다.
- 설계 단계 초기에 자재 가용성과 비용을 고려하세요.
- 3D 프린팅 서비스 제공업체와 긴밀히 협력하여 최상의 재료를 선택하세요.
- 선택한 특정 합금에 따라 방향 및 레이어 두께와 같은 인쇄 매개 변수를 최적화합니다.
- 프로덕션을 시작하기 전에 테스트 빌드 및 머티리얼 특성화 테스트를 수행합니다.
자주 묻는 질문
Q: 3D 프린팅에 가장 적합한 강도를 가진 금속 합금은 무엇인가요?
A: 인코넬 718과 같은 인코넬 초합금은 인장 강도가 가장 높지만 연성은 낮습니다. 티타늄 Ti-6Al-4V는 중량 대비 강도가 가장 높습니다.
Q: 스테인리스 스틸로 3D 프린팅된 부품은 부식에 강합니까?
A: 예, 316L 및 기타 스테인리스 스틸 합금은 3D 프린팅 후에도 우수한 내식성을 유지합니다.
Q: 3D 프린팅에서 가장 일반적으로 사용되는 티타늄 합금은 무엇인가요?
A: Ti-6Al-4V는 가장 인기 있는 티타늄 합금으로, 전체 티타늄 3D 프린팅 중 90%를 구성합니다. 최고의 만능 특성을 제공합니다.
Q: 3D 프린팅에 가장 적합한 알루미늄 합금은 무엇인가요?
A: 6061과 7075가 가장 널리 사용되며, 6061은 저렴한 비용으로 우수한 내식성을 제공하고 7075는 고강도 구조물 용도로 선택됩니다.
Q: 금속 3D 프린팅 부품의 후처리 단계는 필수인가요?
A: 최적의 소재 특성과 성능을 위해 서포트 제거, 응력 완화 및 표면 마감과 같은 후처리를 적극 권장합니다.
Q: 가장 광범위한 금속 합금에 적합한 3D 프린팅 공정은 무엇인가요?
A: 바인더 제팅 및 지향성 에너지 증착은 대부분의 합금에 사용할 수 있지만 분말 베드 융합은 더 높은 해상도의 부품을 생산합니다.
Q: 금속 가공과 3D 프린팅의 부품 정확도는 어떻게 비교되나요?
A: CNC 가공 부품은 3D 프린팅 금속보다 공차가 더 엄격하고 표면 마감이 우수합니다. 하지만 3D 프린팅은 더 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다.
Q: 어떤 금속 3D 프린팅 프로세스가 제작 속도가 가장 빠릅니까?
A: 바인더 젯팅은 파우더 베드 융합 공정보다 최대 10배 빠른 속도로 부품을 제작할 수 있어 최고의 프린트 속도를 달성할 수 있습니다.