3D 프린팅이라고도 알려진 적층 제조(AM)는 산업 전반에 걸쳐 생산에 혁명을 일으키고 있습니다. 이 가이드에서는 공정, 재료, 응용 분야, 후처리, 품질 관리 등을 포함하여 티타늄 부품에 대한 AM 기술을 심층적으로 살펴봅니다.
개요 티타늄 적층 제조
티타늄은 항공우주 및 의료와 같은 고성능 응용 분야에 이상적인 강력하고 가벼운 금속입니다. 적층 제조는 티타늄을 통해 새로운 디자인의 자유와 맞춤화 가능성을 열어줍니다.
| 혜택 | 세부 정보 |
|---|---|
| 복잡한 기하학 | 기계가공으로는 불가능한 복잡한 형상 |
| 경량화 | 격자 구조 및 토폴로지 최적화 |
| 부품 통합 | 조립 부품 감소 |
| 사용자 지정 | 환자 맞춤형 의료기기 |
| 리드타임 단축 | 설계부터 직접 신속한 생산 |
비용 절감과 품질 개선으로 티타늄 AM 채택이 가속화되고 있습니다.
AM용 티타늄 소재
적층 제조에는 다양한 티타늄 합금이 사용됩니다.
| 합금 | 특성 |
|---|---|
| Ti-6Al-4V(5등급) | 가장 흔한. 강도, 연성 및 내식성의 균형. |
| Ti-6Al-4V ELI | 매우 낮은 전면 광고. 연성 및 파괴인성이 향상됩니다. |
| Ti-5553 | 항공우주 부품에 대한 고강도. |
| Ti-1023 | 패스너의 냉간 성형성이 우수합니다. |
| Ti-13V-11Cr-3Al | 의료용 내식성 합금. |
입자 크기 분포, 형태 및 순도와 같은 분말 특성은 AM 가공에 최적화되어 있습니다.
티타늄 적층 제조 공정 방법
인기 있는 티타늄 AM 기술:
| 방법 | 설명 |
|---|---|
| 파우더 베드 퓨전 | 레이저 또는 전자빔으로 분말층을 녹입니다. |
| 직접 에너지 증착 | 집중된 열원은 금속 분말이나 와이어를 녹입니다. |
| 바인더 분사 | 액체 결합제는 분말 입자를 선택적으로 결합합니다. |
각 프로세스는 부품 적용 및 요구 사항에 따라 특정한 장점을 가지고 있습니다.
금속 파우더 베드 융합
파우더 베드는 열원에 의해 층별로 선택적으로 용융됩니다.
| 유형 | 세부 정보 |
|---|---|
| 레이저 파우더 베드 퓨전(L-PBF) | 용융에는 레이저를 사용합니다. 더 높은 해상도. |
| 전자빔 용융(EBM) | 전자빔 열원. 더 빠른 빌드 속도. |
L-PBF는 더 미세한 기능을 가능하게 하고 EBM은 더 높은 생산성을 가능하게 합니다. 둘 다 거의 전체 밀도 부품을 생산합니다.
직접 에너지 증착
집중된 열 에너지는 금속 분말/와이어를 녹여 재료를 층별로 증착하는 데 사용됩니다.
| 방법 | 열원 |
|---|---|
| 레이저 금속 증착 | 레이저 빔 |
| 전자빔 적층 가공 | 전자빔 |
| 레이저 엔지니어링 넷 쉐이핑 | 레이저 빔 |
DED는 기존 구성 요소를 수리하거나 기능을 추가하는 데 자주 사용됩니다.
바인더 분사 공정
액체 결합제는 금속 분말 층을 선택적으로 결합합니다.
- 파우더 스프레딩 – 빌드 플랫폼 위에 파우더를 퍼뜨리는 새로운 레이어
- 바인더 분사 – 프린트헤드가 원하는 패턴으로 바인더를 침전시킵니다.
- 결합 - 바인더는 분말 입자를 서로 결합시킵니다.
- 완전한 밀도를 달성하기 위해 추가 건조, 경화 및 침투 단계가 사용됩니다.
바인더 분사는 치밀화를 위해 소결 및 침투가 필요한 다공성 "친환경" 부품을 생산합니다. 고속 인쇄를 제공합니다.
티타늄의 AM 매개변수
티타늄의 주요 AM 공정 매개변수:
| 매개변수 | 일반적인 범위 |
|---|---|
| 레이어 두께 | 20-100 μm |
| 레이저 출력(L-PBF) | 150-500W |
| 스캔 속도 | 600-1200mm/초 |
| 빔 크기 | 50-100μm |
| 해치 간격 | 60-200μm |
이러한 매개변수를 최적화하면 제작 속도, 부품 품질 및 재료 특성의 균형이 유지됩니다.
후처리 티타늄 적층 제조 부속
일반적인 후처리 단계:
| 방법 | 목적 |
|---|---|
| 지원 제거 | 지원 구조물 제거 |
| 표면 가공 | 표면 마감 개선 |
| 드릴링 및 태핑 | 나사 구멍 및 스레드 추가 |
| 열간 등방성 프레스 | 내부 공극 및 다공성 제거 |
| 표면 처리 | 내마모성/내식성 향상 |
후처리는 최종 적용 요구 사항을 충족하도록 부품을 맞춤화합니다.
티타늄 적층 제조의 응용
티타늄 AM 부품의 주요 응용 분야:
| 산업 | 용도 |
|---|---|
| 항공우주 | 구조용 브라켓, 엔진 부품, 무인항공기 부품 |
| 의료 | 정형외과용 임플란트, 수술 기구 |
| 자동차 | 경량 자동차 부품, 맞춤형 프로토타입 |
| 화학 | 부식 방지 유체 취급 부품 |
| 석유 및 가스 | 부식성 환경용 밸브, 펌프 |
AM은 까다로운 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 티타늄 부품 설계를 가능하게 합니다.
티타늄 적층 가공 부품의 품질 관리
티타늄 AM 부품의 주요 품질 검사:
- 치수 정확도 – CMM 및 3D 스캐너를 사용하여 설계를 기준으로 측정합니다.
- 표면 거칠기 – 프로파일로미터를 사용하여 표면 질감을 정량화합니다.
- 다공성 – 내부 공극을 확인하기 위한 X선 단층촬영.
- 화학 성분 – 분광법 기술을 사용하여 합금 등급을 확인합니다.
- 기계적 특성 – 인장, 피로, 파괴인성 시험을 실시합니다.
- 비파괴 테스트 – X-ray, 초음파, 침투탐상검사.
- 마이크로 구조 – 결함을 확인하기 위한 금속 조직학 및 현미경 검사.
포괄적인 테스트를 통해 기능적 성능에 대한 부품 품질을 검증합니다.
글로벌 공급업체 티타늄 적층 제조
티타늄 AM 서비스 및 시스템의 주요 공급업체:
| 회사 | 위치 |
|---|---|
| GE 애디티브 | 미국 |
| Velo3D | 미국 |
| 3D Systems | 미국 |
| 트럼프 | 독일 |
| EOS | 독일 |
이들 회사는 다양한 티타늄 AM 장비, 재료 및 부품 생산 서비스를 제공합니다.
비용 분석
티타늄 AM 부품 비용은 다음에 따라 달라집니다.
- 부품 크기 – 부품이 클수록 더 많은 재료와 제작 시간이 필요합니다.
- 생산량 – 대량 생산 시 더 많은 부품에 비용이 분산됩니다.
- 재질 – 티타늄 합금은 강철보다 재료비가 높습니다.
- 후처리 – 추가 처리 단계로 인해 비용이 증가합니다.
- 구매 vs 아웃소싱 – AM 시스템 구입 비용과 계약 제조 비용.
티타늄 AM은 소량의 복잡한 부품에 경제적으로 실행 가능합니다. 이는 CNC 가공과 같은 절삭 방법과 경쟁합니다.
티타늄 적층 제조의 과제
티타늄 AM과 관련된 몇 가지 지속적인 과제는 다음과 같습니다.
- 잔류 응력이 높으면 부품 왜곡 및 결함이 발생할 수 있습니다.
- 가공 재료에 필적하는 일관된 기계적 특성을 달성합니다.
- 빌드 방향에 따른 이방성 재료 동작.
- 다른 제조 방법에 비해 크기 제한이 있습니다.
- AM 기계 간의 프로세스 불일치와 반복성 문제.
- 높은 초기 시스템 비용과 자재 가격.
- 자격을 갖춘 운영자 및 해당 분야 전문가가 부족합니다.
그러나 지속적인 발전은 이러한 많은 한계를 극복하는 데 도움이 되고 있습니다.
티타늄 적층 제조의 미래 전망
티타늄 AM의 미래 전망은 긍정적입니다.
- AM용으로 특별히 제작된 합금 및 재료 옵션의 범위가 확대됩니다.
- 더 큰 빌드 볼륨으로 더 큰 부품과 더 높은 생산성이 가능합니다.
- 향상된 품질, 표면 마감, 가공 재료에 가까운 재료 특성.
- 현장 검사, 공정 모니터링 및 제어 분야의 발전.
- AM과 CNC 가공 및 기타 방법을 결합한 하이브리드 제조입니다.
- 항공우주, 의료, 자동차, 산업용 가스 터빈 부문 전반에 걸쳐 성장합니다.
- AM 시스템 비용이 감소하고 전문성이 향상됨에 따라 채택 범위가 확대되었습니다.
티타늄 AM은 기술이 계속 발전함에 따라 여러 산업 전반에 걸쳐 공급망을 변화시킬 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.
티타늄 AM 서비스 센터 선택
티타늄 AM 서비스 제공업체를 선택할 때의 팁은 다음과 같습니다.
- 티타늄 부품에 대한 구체적인 경험과 사례를 검토하십시오.
- 후처리를 포함한 완전한 엔드투엔드 기능을 찾아보세요.
- ISO 및 AS9100과 같은 품질 시스템 및 인증을 평가하십시오.
- AM 지식에 대한 엔지니어링 지원 및 설계를 평가합니다.
- 빠른 처리를 위해 위치와 물류를 고려하세요.
- AM 장비의 성능과 용량을 이해합니다.
- 가격 모델을 비교하세요(부품별, 대량 할인 등).
- 리드타임과 정시 납품 실적을 확인하세요.
- 고객의 사용후기와 만족도를 검토하세요.
올바른 파트너를 선택하면 시간과 예산에 맞춰 고품질 부품을 납품할 수 있습니다.
티타늄 AM의 장단점
티타늄 AM의 장점과 한계:
장점
- 디자인의 자유는 복잡한 형상을 가능하게 합니다.
- 격자 및 토폴로지 최적화를 통한 경량화.
- 프로토타이핑 속도가 빨라지고 생산이 제한됩니다.
- 어셈블리를 단일 부품으로 통합합니다.
- 해부학적 구조에 맞춘 맞춤형 의료기기입니다.
- 가공에 비해 재료 낭비가 줄어듭니다.
단점
- 다른 공정에 비해 상대적으로 높은 생산 비용.
- 최대 부품 크기에 대한 제한.
- 마무리를 개선하기 위해 종종 후처리가 필요합니다.
- 이방성 재료 특성.
- 표준 및 코드는 아직 개발 중입니다.
- 설계 및 가공에 전문적인 전문성이 필요합니다.
중소 규모의 복잡한 티타늄 부품의 경우 AM은 기술이 성숙해짐에 따라 몇 가지 지속적인 한계에도 불구하고 판도를 바꾸는 기술입니다.
자주 묻는 질문
| 질문 | 답변 |
|---|---|
| 티타늄에 가장 적합한 AM 공정은 무엇입니까? | DMLS 및 EBM과 같은 분말층 융합을 통해 완전 용융을 통해 거의 가공 특성을 얻을 수 있습니다. |
| 티타늄 AM에는 지지 구조가 필요합니까? | 예, 대부분의 티타늄 AM 공정에는 제거 가능한 지지 구조가 필요합니다. |
| 티타늄 AM 부품에는 일반적으로 어떤 후처리가 필요합니까? | 대부분의 부품에는 지지대 제거, 기계 가공 및 열간 등압 성형이 필요한 경우가 많습니다. |
| 티타늄 AM을 가장 많이 사용하는 산업은 무엇입니까? | 항공우주, 의료, 자동차, 석유 및 가스는 티타늄 AM을 채택하는 주요 업체입니다. |
| 티타늄 AM으로 어떤 재료 특성을 기대할 수 있습니까? | 최적의 매개변수를 사용하면 가공 재료의 특성이 90-100%에 근접합니다. |
결론
티타늄 적층 제조 항공우주, 의료, 자동차 및 기타 고부가가치 분야 전반에 걸쳐 획기적인 설계와 경량 구성 요소를 가능하게 합니다. 기술이 계속 성숙해짐에 따라 공급망을 변화시키고 차세대 제품을 활성화하기 위해 더 많은 산업에서 티타늄 AM 채택이 더 광범위해질 것으로 예상됩니다.