적층 제조3D 프린팅은 항공우주부터 의료기기에 이르기까지 산업 전반에 걸쳐 제조 혁신을 일으키고 있습니다. 3D 프린팅의 주요 발전 분야 중 하나는 금속 3D 프린팅으로, 고가의 툴링이나 금형 없이도 3D CAD 모델에서 복잡한 금속 부품을 직접 제작할 수 있습니다.
금속 적층 제조에는 금속 분말을 녹여 고체 물체로 융합하는 데 필요한 극한의 온도를 달성하기 위한 특수 장비와 재료가 필요합니다. 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 금속 3D 프린팅 기술은 파우더 베드 융합, 지향성 에너지 증착, 바인더 분사 및 시트 적층입니다.
금속 3D 프린팅을 통해 생산되는 부품의 재료 특성은 사용되는 금속 분말과 합금의 구성과 특성에 따라 크게 달라집니다. 이 문서에서는 가장 일반적인 금속 적층 제조 재료와 그 특성, 응용 분야 및 공급업체에 대한 개요를 제공합니다.
금속 적층 제조 재료 유형
파우더 기반 3D 프린팅에 사용할 수 있는 금속 합금은 매우 다양합니다. 가장 일반적으로 사용되는 것은 다음과 같습니다:
| 재질 | 설명 |
|---|---|
| 스테인리스 스틸 | 크롬, 니켈, 망간, 몰리브덴, 티타늄, 구리가 함유된 철 기반 합금. 부식에 강하고 강도가 높습니다. |
| 알루미늄 합금 | Al-Si, Al-Si-Mg 합금. 낮은 밀도, 높은 열전도율. |
| 티타늄 합금 | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI. 뛰어난 중량 대비 강도, 생체 적합성. |
| 니켈 합금 | 인코넬 625, 718. 내열성 및 내식성. 항공우주 부품에 사용됩니다. |
| 코발트크롬 | CoCrMo 합금. 생체 적합성, 고경도. 치과용 임플란트 및 관절에 사용됩니다. |
| 귀금속 | 금, 은, 백금. 전기 전도성, 내식성, 심미성. |
| 공구강 | H13, 마징강. 고경도, 열처리 가능. 툴링 및 금형용. |
| 구리 합금 | CuZn, 청동 합금. 전기 및 열 전도성. |
이러한 기본 소재를 다양한 조합으로 혼합 및 합금하여 다양한 용도에 필요한 특정 소재 특성을 얻을 수 있습니다.
금속 적층 제조 재료 속성
적층 제조에 사용되는 금속 분말의 주요 특성은 다음과 같습니다:
입자 크기 분포
- 파우더 입자 크기는 일반적으로 파우더 베드 융합의 경우 15-45미크론입니다.
- 15마이크론 미만의 작은 입자는 밀도는 향상되지만 유동성은 감소합니다.
- 45마이크론 이상의 큰 입자는 정밀도와 표면 마감을 떨어뜨립니다.
- 균일한 크기 분포로 최적의 포장 밀도를 제공합니다.
형태 및 모양
- 구형 분말 모양으로 원활한 흐름과 포장이 가능합니다.
- 모양이 불규칙하면 벌크 밀도 및 파우더 베드 균일도가 떨어질 수 있습니다.
유동성
- 파우더는 균일한 층을 위해 파우더 베드 전체에 고르게 퍼져야 합니다.
- 모양, 크기 분포, 표면 질감에 따라 유동성이 결정됩니다.
- 분말 흐름을 개선하기 위해 유동제를 첨가할 수 있습니다.
밀도
- 파우더의 포장 밀도가 높을수록 인쇄 부품의 다공성이 감소합니다.
- 겉보기 밀도는 일반적으로 40-60%의 실제 고체 밀도입니다.
- 탭 밀도는 흐름 및 포장 효율을 나타냅니다.
순도
- 순도가 높으면 결함과 오염이 줄어듭니다.
- 산소, 질소 수치를 100ppm 미만으로 유지합니다.
- 최소 위성(큰 입자에 부착된 작은 입자).
수분 함량
- 습기가 있으면 파우더가 뭉쳐서 흐름이 저하될 수 있습니다.
- 수분 함량은 중량 기준 0.02% 미만으로 유지됩니다.
- 진공 또는 불활성 가스 분위기에서 보관되는 분말.
분말 특성 외에도 벌크 금속 합금의 구성과 미세 구조는 적층 제조 부품에 중요한 성능 특성을 부여합니다:
힘
- 합금에 따라 항복 강도 500MPa ~ 1GPa 이상입니다.
- 열처리는 침전물 경화를 통해 강도를 높일 수 있습니다.
경도
- 비커스 경도는 150 HV에서 400 HV 이상입니다.
- 경도는 열처리를 통해 국부적으로 조정할 수 있습니다.
밀도
- 99% 이상의 거의 최대 밀도를 달성할 수 있습니다.
- 잔여 다공성은 프로세스 파라미터에 따라 달라집니다.
표면 마감
- 인쇄된 표면은 대략 10-25 미크론 Ra입니다.
- 정밀한 마감을 위해 가공, 연마, 연마가 필요합니다.
피로 저항
- 단조 소재와 비슷하지만 이방성이 있습니다.
- 빌드 방향, 내부 결함에 따라 다릅니다.
내식성
- 합금 구성에 따라 낮음에서 매우 높음까지 크게 달라집니다.
열 속성
- 단조 합금에 가까운 전도도 및 팽창 계수.
- 미세 구조로 인해 빌드 방향에 따라 다릅니다.
전기 저항
- 가공 재료의 10-20% 이내.
- 다공성이 높을수록 저항이 증가합니다.
금속 적층 제조는 최적화된 파우더와 합금을 선택함으로써 많은 경우 기존 제조 방식과 유사한 기계적 특성을 가진 고밀도 부품을 제작할 수 있습니다. 그러나 제작 방향에 따라 특성이 이방성을 유지합니다.
금속 적층 제조 재료 응용 분야
금속 적층 제조를 활용하는 주요 애플리케이션은 다음과 같습니다:
항공우주: 복잡한 제트 엔진, 로켓, 극초음속 차량 부품. 무게는 줄이고 성능은 높입니다.
의료: 맞춤형 정형외과 임플란트, 보철물, 수술 도구. 해부학적 구조에 맞춘 생체 적합성 금속.
자동차: 부품, 성능 부품, 툴링 경량화. 강도 및 기능 통합성 향상.
산업: 펌프, 컴프레서, 엔진용 최종 사용 생산 부품. 리드 타임 및 재고 감소.
소비자: 보석, 패션 액세서리, 소형 기기. 독특한 고부가가치 형상.
방어: 현장 사용, 보호 장비, 무장을 위한 견고한 부품. 온디맨드 제조.
금형 제작: 컨포멀 냉각 채널로 생산성을 높입니다. 금형 툴링의 직접 인쇄.
에너지: 오일/가스 부품은 부식에 강하고 극한의 환경에서도 성능을 발휘합니다.
금속 3D 프린팅의 뛰어난 기계적 특성, 정확성 및 설계의 자유로움은 다양한 산업 분야의 시제품, 도구 및 최종 사용 생산 부품에 유용합니다.
금속 적층 제조 공정 역량
다양한 금속 3D 프린팅 공정은 호환되는 재료, 부품 크기, 정확도, 표면 마감 등 다양한 기능을 갖추고 있습니다:
| 프로세스 | 재료 | 정확도 | 완료 | 속도 |
|---|---|---|---|---|
| 파우더 베드 퓨전 | 대부분의 합금 | ±0.1-0.2mm | 거칠고 다공성 | Medium |
| 직접 에너지 증착 | 모든 합금 | ±0.3-1mm | Rough | 높음 |
| 바인더 분사 | 대부분의 합금 | ±0.2mm | 잠입 필요 | 높음 |
| 시트 적층 | 대부분의 합금 | ±0.1mm | 양호 | 느린 |
파우더 베드 융합 는 최고의 정확도와 표면 마감을 제공하지만 속도가 느립니다. 직접 에너지 증착 를 사용하면 그물 모양에 가까운 대형 부품을 빠르게 제작할 수 있지만 정밀도는 떨어집니다. 바인더 분사 는 더 빠르지만 완전한 밀도를 위해서는 침투가 필요합니다. 시트 라미네이션 는 더 얇은 섹션으로 제한됩니다.
최적의 공정은 부품 크기, 재료 옵션, 정확도, 속도 및 후처리 요구 사항에 따라 달라집니다.
인기 있는 금속 적층 제조 합금 시스템
다음은 적층 제조에 사용되는 가장 일반적인 금속 합금 시스템과 그 주요 특징입니다:
스테인리스 스틸
| 합금 | 구성 | 속성 | 애플리케이션 |
|---|---|---|---|
| 17-4PH | Cr, Ni, Cu | 고강도, 내식성 | 항공우주, 산업 |
| 15-5PH | Cr, Ni | 강수량 경화 | 항공우주, 자동차 |
| 316L | Cr, Ni, Mo | 내식성, 생체 적합성 | 의료, 해양 |
| 304L | Cr, Ni | 내식성 | 소비자 제품 |
알루미늄 합금
| 합금 | 구성 | 속성 | 애플리케이션 |
|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | Al, Si, Mg | 낮은 밀도, 우수한 강도 | 항공우주, 자동차 |
| AlSi7Mg | Al, Si, Mg | 낮은 밀도, 높은 연성 | 자동차, 소비자 |
| A2024 | Al, Cu, Mg | 높은 강도 | 항공 우주 구조물 |
| Al6061 | Al, Mg, Si | 중간 강도, 내식성 | 항공우주, 해양 |
티타늄 합금
| 합금 | 구성 | 속성 | 애플리케이션 |
|---|---|---|---|
| Ti6Al4V | Ti, Al, V | 고강도 대 중량 | 항공우주, 의료 |
| Ti6Al4V ELI | 낮은 전면 광고 | 골절 저항 | 항공우주 |
| Ti64 | Ti, Al, V | 열처리 가능성 | 항공우주, 자동차 |
| Ti 2등급 | Ti | 뛰어난 내식성 | 산업, 해양 |
니켈 합금
| 합금 | 구성 | 속성 | 애플리케이션 |
|---|---|---|---|
| 인코넬 718 | Ni, Fe, Cr | 고강도, 내식성 | 항공우주, 석유 및 가스 |
| 인코넬 625 | Ni, Cr, Mo | 산화 및 내식성 | 항공우주, 화학 |
| 하스텔로이 X | Ni, Fe, Cr | 내산화성, 고온 | 항공우주, 산업 |
코발트 크롬 합금
| 합금 | 구성 | 속성 | 애플리케이션 |
|---|---|---|---|
| CoCrMo | Co, Cr, Mo | 생체 적합성, 고경도 | 의료용 임플란트, 치과 |
| CoCrWNi | Co, Cr, W, Ni | 높은 경도, 강도 | 치과, 절삭 공구 |
| CoCrMoSi | Co, Cr, Mo, Si | 생체 적합성, 높은 피로 강도 | 의료용 임플란트 |
적층 제조를 통해 응용 분야 요구 사항에 맞는 최적의 합금을 선택하면 고성능 금속 부품을 주문형 3D 프린팅할 수 있습니다.
적층 제조용 인기 금속 분말 등급
현재 대부분의 주요 금속 분말 공급업체는 적층 제조에 최적화된 분말 등급을 제공합니다. 다음은 가장 일반적으로 사용되는 몇 가지 등급입니다:
스테인리스 스틸 파우더
| 재질 | 파우더 등급 | 입자 크기 | 공급업체 |
|---|---|---|---|
| 17-4PH | Philloy 17-4, 17-4PH NX2 | 15-45 미크론 | 호가나스, 목수 첨가제 |
| 316L | 316L CX, 316L-Si-dura | 15-45 미크론 | 린데, 컨셉 레이저 |
| 304L | CL20ES, 304L CX | 15-45 미크론 | 컨셉 레이저, 카펜터 첨가제 |
알루미늄 합금 분말
| 재질 | 파우더 등급 | 입자 크기 | 공급업체 |
|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | AlSi10Mg ALEA, AlSi10Mg CX | 25-45 미크론 | 린데, 컨셉 레이저 |
| AlSi7Mg | AlSi7Mg AM | 25-45 미크론 | 린데 |
| Al6061 | 6061 CX | 15-45 미크론 | 목수 첨가제 |
티타늄 합금 분말
| 재질 | 파우더 등급 | 입자 크기 | 공급업체 |
|---|---|---|---|
| Ti6Al4V | Ti64 ELIT, Ti64 등급 23 | 15-45 미크론 | AP&C, 린데 |
| Ti6Al4V ELI | Ti64-ELI CX | 15-45 미크론 | 목수 첨가제 |
니켈 합금 분말
| 재질 | 파우더 등급 | 입자 크기 | 공급업체 |
|---|---|---|---|
| 인코넬 718 | 718 ALEA AM, 718-P 파우더 | 10-45 미크론 | 린데, 프렉스에어 |
| 인코넬 625 | 625 CX, 인코넬 625-시-듀라 | 15-45 미크론 | 카펜터 첨가제, 컨셉 레이저 |
코발트 크롬 합금 분말
| 재질 | 파우더 등급 | 입자 크기 | 공급업체 |
|---|---|---|---|
| CoCrMo | 디지털 코발트크롬, CoCrMo CX | 5-25 미크론 | 목수 첨가제, Arcam |
| CoCrWNi | CC W-Ni CX | 5-25 미크론 | 목수 첨가제 |
이러한 최적화된 파우더 등급은 일반적인 항공우주, 의료 및 산업용 합금에서 금속 적층 제조를 위한 높은 품질과 반복 가능한 성능을 보장합니다.
금속 적층 제조 분말 비용
적층 제조용 금속 분말의 비용은 합금 구성, 순도, 입자 크기 분포, 공급업체 및 구매량에 따라 크게 달라질 수 있습니다:
| 재질 | kg당 비용 |
|---|---|
| 스테인리스 스틸 316L | $50 – $120 |
| 알루미늄 AlSi10Mg | $50 – $100 |
| 티타늄 Ti64 | $150 – $500 |
| 인코넬 718 | $150 – $300 |
| 코발트 크롬 | $250 – $500 |
금속 적층 제조에서 파우더 비용은 전체 부품 비용의 상당 부분을 차지합니다. 고부가가치 합금이 비용을 정당화하는 항공우주, 의료, 자동차, 석유 및 가스 등의 산업에서 적층 제조를 채택하고 있습니다. 생산량이 증가함에 따라 가격은 하락하고 있습니다. 파우더 회수 시스템을 통해 폐 파우더를 재사용하면 부품당 전체 비용도 절감할 수 있습니다.
금속 적층 제조 후처리
대부분의 금속 3D 프린팅 공정은 표면 마감이 거칠고 내부 다공성이 있는 부품을 생산합니다. 일반적으로 추가 후처리가 필요합니다:
- 빌드 플레이트에서 제거 - 지지대를 제거하고 부품을 분리하기 위해 절단, 연삭 또는 와이어 EDM을 사용합니다.
- 표면 마감 - 표면 마감 개선을 위한 가공, 연마, 연마, 블라스팅.
- 스트레스 해소 - AM 빌드에서 잔류 응력을 완화하는 열처리.
- 열간 등방성 프레스 - 고압으로 내부 공극을 제거하고 밀도를 높입니다.
- 열처리 - 강수량 경화, 기계적 특성 향상을 위한 에이징.
- 코팅 - 필요한 경우 내마모성/내식성을 위한 기능성 코팅을 적용합니다.
적절한 후처리를 통해 금속 적층 제조 부품은 기존 금속 부품에 필적하는 매우 높은 밀도와 정밀한 표면 마감을 구현할 수 있습니다.
금속 적층 제조 설계 가이드라인
금속 3D 프린팅의 장점을 최대한 활용하고 잠재적인 함정을 피하려면 설계 가이드라인을 따르는 것이 좋습니다:
- 지지대가 필요한 돌출 구조 최소화
- 계단식 표면 마감 효과를 줄이기 위한 부품 방향 조정
- 얇은 벽, 격자를 사용하여 무게와 재료 사용량 줄이기
- 어셈블리를 하나의 복잡한 부품으로 통합
- 컨포멀 냉각 채널과 생체 공학 설계 통합
- 내부 채널과 보이드가 자립할 수 있도록 설계하기
- 파우더가 없는 영역에 대한 접근 구멍 허용
- 빌드 방향에 따른 비등방성 속성 설명
- 모서리에 넉넉한 필렛과 반경을 디자인합니다.
엔지니어는 AM용 설계 사고방식을 채택함으로써 이러한 혁신적인 기능을 충분히 활용할 수 있습니다.
금속 적층 제조의 미래
금속 적층 제조는 재료, 공정, 응용 분야 및 채택 측면에서 많은 발전을 거듭해 왔습니다. 그러나 속도, 비용, 품질 및 재료 옵션을 개선할 수 있는 상당한 기회가 여전히 존재합니다.
장비 제조업체 는 생산성을 높이기 위해 더 큰 제작 봉투와 멀티레이저 시스템을 개발하고 있습니다. 폐쇄 루프 모니터링과 고급 품질 관리 시스템은 일관성과 신뢰성을 높이는 데 도움이 됩니다.
자재 공급업체 는 니켈 초합금, 공구강, 내화성 금속과 같은 고온 소재를 포함하여 적층 제조에 최적화된 더 많은 합금을 검증하는 데 주력하고 있습니다. 기능적으로 등급이 매겨진 복합 금속 분말은 더 많은 특성 튜닝을 제공할 것입니다.
소프트웨어 설계, 시뮬레이션, 최적화, 머신 러닝, 자동화의 발전으로 더 많은 사람들이 적층 가공에 더 쉽게 접근할 수 있게 될 것입니다. 시스템 연결과 디지털 제조 접근 방식은 더욱 분산되고 민첩한 생산을 가능하게 할 것입니다.
애플리케이션 엔진과 구조 부품을 위한 항공우주 분야에서 빠르게 성장할 것입니다. 자동차, 석유 및 가스, 의료 기기, 소비자 가전 분야에서는 비용이 감소함에 따라 채택이 가속화될 것입니다. 신속한 제조와 대량 맞춤화가 현실화될 것입니다.
2028년까지 1조 4천 150억 달러가 넘을 것으로 예상되는 이 고성장 시장에 새로운 플레이어와 새로운 혁신이 진입하면서 금속 AM 업계는 지금이 매우 흥미로운 시기입니다.
금속 적층 제조 - FAQ
다음은 금속 적층 제조 재료 및 공정에 대해 자주 묻는 질문에 대한 답변입니다:
3D 프린팅할 수 있는 금속의 종류는 무엇인가요?
스테인리스강, 알루미늄, 티타늄, 니켈, 코발트 크롬, 공구강, 금과 은과 같은 귀금속, 구리 합금 등 대부분의 주요 산업용 합금을 프린트할 수 있습니다. 새로운 합금은 지속적으로 인증되고 있습니다.
어떤 종류의 정확도와 마감을 얻을 수 있나요?
치수 정확도는 일반적으로 ±0.1-0.3% 정도이며 허용 오차는 ±0.1-0.2mm입니다. 인쇄된 표면 마감은 10-25μm Ra로 거칠지만 기계 가공 및 연마를 통해 크게 개선할 수 있습니다.
재료 특성은 기존 제조 방식과 어떻게 다른가요?
대부분의 적층 부품의 미세 구조와 특성은 주조 또는 단조 소재 형태와 비슷합니다. 기계적 특성은 항공우주 등급 티타늄 및 니켈 합금과 같은 소재의 표준을 충족하거나 능가합니다.
3D 프린팅 후 부품은 어떻게 후처리되나요?
후처리에는 지지대 제거, 응력 완화, CNC 가공, 연삭, 연마와 같은 표면 마감 작업과 필요한 열처리가 포함됩니다. 일부 중요한 애플리케이션의 경우 내부 공극을 제거하고 밀도를 높이기 위해 열간 등방성 프레스(HIP)가 필요할 수 있습니다.
금속 AM 부품의 주요 설계 원칙은 무엇인가요?
설계 가이드라인에는 돌출부 최소화, 빌드 방향 최적화, 격자 및 내부 구조 통합, 얇은 벽 사용, 어셈블리 통합 등이 포함됩니다. 생체 공학 및 컨포멀 냉각 설계를 통해 성능을 향상시킬 수 있습니다.