텅스텐 및 텅스텐 합금 분말을 사용하면 레이저 분말 베드 용융(LPBF) 및 전자빔 용융(EBM)을 사용하여 우수한 기계적 및 열적 특성을 가진 고밀도 부품을 프린팅할 수 있습니다. 이 가이드는 텅스텐 금속 3D 프린팅에 대한 개요를 제공합니다.
소개 텅스텐 3D 프린팅
텅스텐은 적층 제조를 위한 독특한 소재입니다:
- 매우 높은 밀도 - 19g/cm3
- 높은 경도와 강도
- 뛰어난 열 전도성
- 3422°C의 높은 융점
- 까다로운 가공성 및 기계 가공성
인쇄된 텅스텐 부품의 주요 응용 분야:
- 방사선 차폐
- 항공우주 및 모터스포츠 부품
- 방사선 치료 장치 및 콜리메이터
- 치과용 포스트와 같은 의료용 임플란트
- 카운터 웨이트 및 밸런싱 구성 요소
- 전기 접점 및 발열체
AM용 일반적인 텅스텐 합금:
- Ni, Fe, Cu, Co가 포함된 텅스텐 중합금
- 텅스텐 카바이드
- 칼륨 도핑 텅스텐 산화물
순수 텅스텐 분말
순수 텅스텐 분말은 가장 높은 밀도를 제공합니다:
속성:
- 19.3g/cm3의 밀도
- 뛰어난 방사선 차단 및 차폐
- 최대 400 Hv의 높은 경도
- 최대 1200 MPa의 강도
- 녹는점 3422°C
- 우수한 전기 및 열 전도성
애플리케이션:
- 의료 방사선 차폐
- 엑스레이 콜리메이터 및 어플리처
- 항공 평형추
- 모터스포츠의 진동 감쇠
- 전기 접점 및 히터
공급업체: TRU 그룹, 버팔로 텅스텐, 미드웨스트 텅스텐
텅스텐 중합금
니켈, 철 및 구리가 함유된 텅스텐 중합금은 밀도, 강도 및 연성의 이상적인 균형을 제공합니다:
공통 성적:
- WNiFe(90W-7Ni-3Fe)
- WNiCu(90W-6Ni-4Cu)
- WNi(90W-10Ni)
속성:
- 17-18g/cm3의 밀도
- 최대 1 GPa의 강도
- 우수한 내식성 및 내마모성
- 고온 강도
애플리케이션:
- 자동차 및 모터스포츠 부품
- 항공우주 및 방위 시스템
- 진동 감쇠 웨이트
- 방사선 차폐
- 치과용 포스트와 같은 의료용 임플란트
공급업체: 샌드빅, TRU 그룹, 나노스틸
텅스텐 카바이드
텅스텐 카바이드 분말은 내마모성이 뛰어난 부품을 프린트합니다:
유형
- 6-15% 코발트가 포함된 WC-Co 경금속
- WC-Ni 초경합금
- WC-CoCr 서멧
속성
- 최대 1,500 HV의 경도
- 5 GPa 이상의 압축 강도
- 높은 영의 계수
- 뛰어난 내마모성 및 내식성
애플리케이션
- 절단 도구 및 드릴 비트
- 부품 및 씰 마모
- 탄도 갑옷 구성품
- 금속 성형 및 스탬핑 도구
공급업체: 샌드빅, 나노스틸, 버팔로 텅스텐
도핑된 텅스텐 산화물
K2W4O13과 같은 칼륨이 도핑된 텅스텐 산화물은 독특한 전기적 특성을 제공합니다:
특성
- 반도체 동작
- 도핑 레벨에 따라 전기 전도도 조정 가능
- 최대 9g/cm3의 고밀도
- 높은 방사선 안정성
애플리케이션
- 전자 및 전기 부품
- 전극, 접점 및 저항기
- 열전 발전기
- 방사선 감지기
공급업체: 인프라앳 첨단 재료
머티리얼 속성 비교
| 재질 | 밀도(g/cm3) | 강도(MPa) | 경도(HV) | 전기 저항률(μΩ-cm) |
|---|---|---|---|---|
| 순수 텅스텐 | 19.3 | 850 | 260 | 5.5 |
| WNiFe | 18 | 1000 | 380 | 8.1 |
| WC-12Co | 15.5 | 2000 | 1300 | 60 |
| K-도핑 WO3 | 9 | – | – | 1-100 |
텅스텐 분말 생산 방법
1. 수소 감소
- 가장 일반적이고 경제적인 프로세스
- 수소에 의해 환원된 텅스텐 산화물
- 불규칙한 분말 형태
2. 혈장 스페로이드화
- 파우더 모양과 유동성 개선
- 수소 환원 후 완료
- 고순도 제공
3. 플라즈마 원자화
- 우수한 파우더 구형도 및 흐름
- 입자 크기 분포 제어
- 가스 분무보다 낮은 산소 흡입량
4. 화학 증기 합성
- 초미세 나노 스케일 텅스텐 분말
- 작은 입자 크기의 고순도
- 산화 텅스텐 분말에 사용
텅스텐용 프린터 기술
레이저 파우더 베드 퓨전(LPBF)
- 400W 이상의 고출력 파이버 레이저
- 불활성 아르곤 대기
- 정밀한 용융 풀 제어가 중요
전자빔 용융(EBM)
- 3kW 이상의 강력한 전자빔
- 고진공 환경
- 고밀도 소재에 가장 적합
바인더 분사
- 분말을 선택적으로 결합하는 데 사용되는 접착 바인더
- 최대 밀도를 위해 필요한 후처리
- LPBF 및 EBM에 비해 낮은 부품 강도
LPBF와 EBM을 사용하면 고밀도 텅스텐 부품을 프린팅할 수 있습니다.
기술 사양
일반적인 AM용 텅스텐 분말 사양:
| 매개변수 | 사양 | 테스트 방법 |
|---|---|---|
| 입자 크기 | 15 - 45 미크론 | 레이저 회절 |
| 겉보기 밀도 | 9 - 11g/cc | 홀 유량계 |
| 탭 밀도 | 11 - 13 g/cc | ASTM B527 |
| 유량 | 25 - 35 초/50g | ASTM B213 |
| 산소 함량 | < 100 ppm | 불활성 가스 융합 |
| 탄소 함량 | < 50ppm | 연소 분석 |
| 구형성 | 0.9 – 1 | 이미지 분석 |
입자 크기 분포 및 형태와 같은 분말 특성을 제어하는 것은 고밀도 인쇄에 매우 중요합니다.
인쇄 프로세스 개발
텅스텐에 대한 LPBF 공정 파라미터 최적화:
- 균열 제어를 위한 예열 - 통상 100-150°C
- 정밀한 제어를 통한 400W 이상의 높은 레이저 출력
- 약 20-30μm의 얇은 층 두께
- 스트레스를 최소화하는 스캔 전략
- 인쇄 후 냉각 제어
EBM의 경우:
- 600°C 이상으로 가열하여 분말 소결
- 작은 포인트 크기로 높은 빔 전류
- 전체 용융을 위한 느린 스캔 속도
- 열 경사도 최소화
속성을 특성화하려면 테스트 인쇄가 필요합니다.
공급업체 및 가격
| 공급업체 | 성적 | 가격 범위 |
|---|---|---|
| TRU 그룹 | 퓨어 W, WNiFe | $350 - $850/kg |
| 나노스틸 | WC-Co, WNiFe | $450 - $1000/kg |
| 버팔로 텅스텐 | 순수 W, W-Cr | $250 - $750/kg |
| 인프라 매트 | 도핑된 WO3 | $500 - $1500/kg |
| 샌드빅 | WC-Co, W-Ni-Cu | $300 - $800/kg |
- 순수 텅스텐은 kg당 ~$350 ~ $850입니다.
- 무거운 합금은 kg당 ~$450 ~ $1000입니다.
- kg당 최대 $1500의 도핑된 산화물
가격은 순도, 형태, 분말 품질, 주문량에 따라 달라집니다.
포스트 프로세싱
텅스텐 AM 부품의 일반적인 후처리 단계:
- EDM 또는 워터젯을 사용한 지지대 제거
- 보이드 제거를 위한 열간 등방성 프레싱
- 저융점 합금 침투
- 표면 마감 개선을 위한 가공
- 필요한 경우 다른 구성 요소에 결합
최종 부품 품질을 달성하려면 적절한 후처리가 필수적입니다.
인쇄된 텅스텐 부품의 응용 분야
항공우주: 터빈 블레이드, 위성 부품, 평형추
자동차: 밸런싱 웨이트, 진동 감쇠 부품
의료: 방사선 차폐, 콜리메이터, 치과용 임플란트
전자 제품: 방열판, 전기 접점, 저항기
방어: 방사선 차폐, 탄도 보호
인쇄된 텅스텐 부품은 산업 전반의 까다로운 응용 분야에서 성능을 개선할 수 있습니다.
텅스텐 AM의 장단점
장점
- 방사선 차폐를 위한 고밀도
- 뛰어난 강도와 경도
- 우수한 열 및 전기적 특성
- 맞춤형 지오메트리
- 여러 파트 통합
단점
- 처리하기 어렵고 비용이 많이 듭니다.
- 지지대가 필요한 부서지기 쉬운 재료
- 낮은 연성 및 파단 인성
- 특수 장비 필요
인쇄 문제 해결
| 이슈 | 가능한 원인 | 시정 조치 |
|---|---|---|
| 다공성 | 낮은 분말 밀도 | 이론 밀도에 가까운 고밀도 파우더 사용 |
| 부정확한 인쇄 매개 변수 | 테스트 인쇄를 통해 레이저 출력, 속도, 해치 간격을 조정합니다. | |
| 크래킹 | 큰 열 구배 | 예열, 스캔 전략 최적화 |
| 높은 잔류 스트레스 | 인쇄 후 열간 등방성 프레스 사용 | |
| 오염 | 고순도 처리 환경 보장 | |
| 워핑 | 고르지 않은 난방 또는 냉방 | 스캔 패턴 최적화, 부품을 단단히 고정하여 플레이트 제작 |
자주 묻는 질문
Q: 텅스텐 프린팅 파우더에 사용되는 일반적인 입자 크기는 얼마입니까?
A: 15~45미크론이 일반적이며, 20~35미크론 정도의 입자 크기 분포를 엄격하게 제어합니다.
Q: 프린트된 텅스텐 부품에서 어느 정도의 다공성을 기대할 수 있습니까?
A: 일반적으로 공정 최적화와 열간 등방성 프레스를 통해 1% 미만의 다공성을 달성할 수 있습니다.
Q: 밀도와 기계적 특성의 균형이 잘 맞는 합금은 무엇인가요?
A: 6-10% Ni, Fe 및 Cu가 함유된 텅스텐 중합금은 연성과 파괴 인성이 우수한 고밀도를 제공합니다.
Q: 인쇄된 텅스텐 부품에는 어떤 후처리가 필요합니까?
A: 서포트 제거, 열간 등방성 프레스, 침투 및 가공은 일반적으로 인쇄 후 공정에 사용됩니다.
Q: 어떤 예열 온도가 사용되나요?
A: LPBF의 경우 잔류 응력과 균열을 줄이기 위해 최대 150°C까지 예열하는 것이 일반적입니다.
Q: 텅스텐 분말을 취급할 때 어떤 안전 예방 조치가 필요합니까?
A: 적절한 개인보호구를 사용하고, 흡입을 피하며, 공급업체에서 권장하는 안전한 분말 취급 절차를 따르세요.
Q: 텅스텐 인쇄 분말을 인증하는 데 어떤 표준이 사용됩니까?
A: ASTM B809, ASTM F3049 및 MPIF 표준 46은 화학 분석, 샘플링 및 테스트를 다룹니다.
결론
텅스텐과 그 합금을 사용하면 LPBF 및 EBM과 같은 고급 3D 프린팅 공정을 사용하여 탁월한 강성, 강도, 경도 및 열 특성을 갖춘 고밀도 부품의 적층 제조가 가능합니다. 초고 융점, 밀도 및 방사선 차단 능력을 갖춘 프린팅된 텅스텐 부품은 항공우주, 모터스포츠, 의료, 방위 및 전자 애플리케이션 전반에 걸쳐 사용됩니다. 그러나 까다로운 인쇄성 및 후처리 요건으로 인해 완전한 밀도화와 이상적인 재료 특성을 달성하기 위해서는 엄격한 공정 제어 및 파라미터 최적화가 필요합니다. 텅스텐 프린팅에 대한 전문 지식과 경험이 발전함에 따라 텅스텐의 고유한 장점을 활용하여 기존의 제조 한계를 뛰어넘는 기능을 갖춘 고성능 부품을 제조할 수 있습니다.