소개 소개: 엔지니어링 특성 및 제조 과제
티타늄은 뛰어난 재료 특성으로 엔지니어링 분야에서 널리 인정받고 있습니다. 티타늄은 강철의 강도를 가지면서도 약 45% 더 가볍습니다. 또한 내식성과 생체 적합성이 뛰어납니다.
그러나 티타늄은 전통적인 제조 과정에서 상당한 어려움을 겪습니다. 경도가 높고 열전도율이 낮기 때문에 가공이 어렵습니다.
티타늄의 전통적인 CNC 가공은 속도가 느리고 공구가 빠르게 마모될 수 있습니다. 또한 감산 가공은 재료 낭비를 초래합니다. 항공우주 산업에서 높은 “바이투플라이” 비율(원자재 무게와 완성된 부품 무게의 비율)은 원자재의 상당 부분이 제거되어 스크랩이 된다는 것을 의미합니다.
티타늄 3D 프린팅, 특히 금속 적층 제조, 는 대안적인 솔루션을 제공합니다.
이 기술은 프로토타입 제작에서 실행 가능한 산업 생산 방법으로 발전했습니다. 이 가이드에서는 다음에 대한 기술 개요를 제공합니다. DMLS/SLM (직접 금속 레이저 소결/선택적 레이저 용융) 공정, 비용 구조, 항공우주 및 의료 분야에서의 응용 분야에 대해 설명합니다.
제조 프로세스(DMLS/SLM)
티타늄 인쇄의 업계 표준은 다음과 같습니다. 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 또는 선택적 레이저 용융(SLM). 블록에서 재료를 제거하는 기존의 “감산” 제조와 달리, 고출력 레이저와 금속 분말을 사용하여 부품을 한 층씩 쌓아 올리는 “적층” 공정입니다.
1. 원재료: 티타늄 분말
이 프로세스에는 일반적으로 다음과 같은 특정 티타늄 합금이 사용됩니다. Ti-6Al-4V(5등급) 또는 23등급(Ti-6Al-4V ELI) 의료용으로 사용됩니다. 이 소재는 기체로 원자화된 구형 분말로 구성되어 있으며 입자 크기는 일반적으로 15 및 45 미크론. 이러한 입자 일관성은 고밀도(99.5%+)와 표면 해상도를 달성하는 데 필수적입니다.
2. 공정 환경: 아르곤 분위기
안전 및 품질 관리: 티타늄 분말은 반응성이 있습니다. 안전과 부품 품질을 보장하기 위해 프린팅 공정은 다음과 같이 채워진 밀폐된 챔버 내에서 이루어집니다. 아르곤 가스.
산소 수준은 엄격하게 유지됩니다. 0.1%(1000ppm) 미만 (중요 부품의 경우 500ppm 미만인 경우가 많음). 이 불활성 대기는 두 가지 용도로 사용됩니다:
- 안전: 반응성 티타늄 분말이 발화하는 것을 방지합니다.
- 품질: 용융 공정 중 산화를 방지하여 최종 부품의 재료 특성을 보호합니다.
3. 인쇄 주기
환경이 준비되면 기계는 연속 주기로 작동합니다:
- 재코팅: 블레이드는 빌드 플레이트 전체에 얇은 티타늄 파우더 층(보통 30~60미크론)을 펼칩니다.
- 녹기: 고출력 파이버 레이저가 설계의 단면을 스캔하여 분말을 가열합니다. 1,600°C 단단한 금속으로 융합합니다.
- 낮추기: 빌드 플랫폼은 한 레이어 두께만큼 낮아집니다.
- 반복합니다: 이 과정은 부품이 파우더 베드 내에서 완전히 형성될 때까지 반복됩니다.
기계적 특성 데이터 시트
가장 흔한 오해 중 하나는 프린트된 티타늄이 단조 티타늄보다 약하다는 것입니다. 데이터는 그렇지 않다는 것을 증명합니다. 적절하게 가공된 경우(특히 열처리/HIP 후), DMLS 티타늄은 가공 재료에 대한 표준을 충족하거나 초과합니다..
기계적 특성 비교(Ti-6Al-4V)
| 속성 | 단위 | DMLS(인쇄된 그대로) | DMLS(HIP + 열처리) | 단조 표준(ASTM F1472) |
|---|---|---|---|---|
| 인장 강도(UTS) | MPa | 1150 ± 50 | 1050 ± 50 | Min. 930 |
| 항복 강도(0.2%) | MPa | 1050 ± 50 | 920 ± 50 | Min. 860 |
| 휴식 시 신장 | % | 8 – 10% | 12 – 15% | Min. 10% |
| 경도 | HRC | 32 – 35 | 30 – 33 | 30 – 34 |
| 밀도 | g/cm³ | >99.5% | >99.9% | 100% |
데이터 소스 참조: EOS 재료 데이터 시트 및 ASTM F2924/F3001 표준.
주요 엔지니어링 인사이트:
- 인쇄된 상태: 매우 강하지만 빠른 냉각 속도(마르텐사이트 미세 구조)로 인해 연성이 떨어집니다.
- HIP(열간 등방성 프레싱): 중요한 애플리케이션에 필수적입니다. 수율 강도는 약간 감소하지만 다음을 크게 복원합니다. 연성(연신율) 피로 수명이 단조 소재와 비슷합니다.
장점 설계 유연성
3D 프린팅은 기존 CNC 가공에 비해 뚜렷한 기하학적 이점을 제공합니다. 공구 접근과 관련된 많은 제약을 제거하여 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다.
1. 격자 구조(경량화)
티타늄 3D 프린팅을 사용하면 내부 격자 구조. 이는 부품 내부를 채우는 복잡한 다공성 구조입니다. 그 결과 단단한 가공 부품보다 훨씬 가벼우면서도 구조적 무결성을 유지하는 부품을 만들 수 있습니다. 이러한 유형의 구조는 항공우주 브래킷과 의료용 임플란트에서 핵심적으로 사용됩니다.
2. 복잡한 내부 형상
이 기술은 특히 다음과 함께 사용할 때 효과적입니다. 제너레이티브 디자인 알고리즘 공학.
예를 들어, 로켓 엔진 인젝터 헤드에서 알고리즘은 내부를 설계할 수 있습니다. 냉각 채널 유체 역학을 최적화하기 위해 가변 직경으로 제작할 수 있습니다. 이러한 내부 피처는 곡선의 가변 경로를 만들기 위해 솔리드 블록 내부에 접근할 수 없는 기존 절삭 공구로는 제조가 불가능한 경우가 많습니다.
후처리 요구 사항
후처리는 적층 제조 워크플로에서 매우 중요한 단계입니다. 인쇄된 부품을 사용하기 전에 여러 단계를 거쳐야 하며, 이는 생산 비용의 상당 부분을 차지할 수 있습니다.
1. 스트레스 해소
프린팅 과정에서 빠른 가열 및 냉각 주기는 내부 열 응력을 발생시킵니다. 부품을 빌드 플레이트에서 제거하기 전에 일반적으로 진공로에서 응력 완화 열처리를 거쳐 뒤틀림이나 균열을 방지합니다.
2. 구성 요소 제거(와이어 EDM)
인쇄물의 첫 번째 레이어는 빌드 플레이트에 직접 융합됩니다. 산업 제조업체는 종종 와이어 EDM(방전 가공) 를 사용하여 플레이트에서 부품을 정밀하게 절단합니다. 이 방법을 사용하면 바닥 표면이 평평하게 유지되고 플레이트 손상을 방지할 수 있습니다.
3. HIP(열간 등방성 프레싱)
터빈 블레이드 또는 의료용 임플란트와 같은 중요한 애플리케이션의 경우 부품은 다음과 같은 과정을 거칩니다. 열간 등방성 프레싱(HIP). 부품은 고열과 균일하게 높은 압력을 받습니다. 이 공정을 통해 미세한 내부 공극을 제거하여 밀도를 100%에 가깝게 높이고 내피로성을 개선합니다.
4. 표면 마감
아스 프린트된 티타늄 부품은 표면 질감이 거칠습니다(Ra 10-15 미크론). 요구 사항에 따라 추가 마감 처리가 수행됩니다:
- CNC 가공: 결합 표면 또는 스레드의 정밀한 공차를 위해 사용됩니다.
- 연마: 의료 또는 미용 목적으로 매끄러운 표면을 만드는 데 사용됩니다.
산업 애플리케이션
티타늄 3D 프린팅은 산업 분야에서 자리를 잡았습니다. 고성능 소재가 필요합니다.
의료 부문
티타늄은 자연적으로 생체 적합성. 3D 프린팅은 의료 분야에서의 활용도를 높여줍니다:
- 오세인통합: 임플란트는 뼈의 소주를 모방한 다공성 표면 구조로 프린팅하여 뼈의 성장을 촉진하고 임플란트의 안정성을 개선할 수 있습니다.
- 환자별 맞춤 설정: 두개골 플레이트와 같은 임플란트는 환자 CT 데이터를 기반으로 정확한 해부학적 맞춤을 위해 제작할 수 있습니다.
항공우주 분야
항공우주 산업에서 무게 감소는 주요 목표입니다.
- 파트 통합: 여러 구성 요소를 하나의 유닛으로 재설계하고 인쇄할 수 있어 조립 시간을 단축하고 용접이나 패스너와 같은 잠재적인 고장 지점을 제거할 수 있습니다.
- 무게 감소: 최적화된 설계는 항공기 부품의 전체 중량을 줄여 연료 효율성에 기여합니다.
경제적 고려 사항 - CNC와 3D 프린팅 비교
3D 프린팅과 CNC 가공 중 어떤 것을 선택할지는 부품 형상과 생산량에 따라 크게 달라집니다.
산업용 티타늄 인쇄의 장비 비용은 높습니다. 따라서 경제성은 특정 사용 사례에 따라 결정됩니다.
선택 기준: 인쇄할 때와 기계화할 때
| 기능 | CNC 가공 | 3D 프린팅(DMLS) |
|---|---|---|
| 지오메트리 | 간단한 블록, 원통, 평판. | 유기적 모양, 내부 채널, 격자. |
| 볼륨 | 대량 생산. | 소량, 프로토타입 또는 복잡한 배치. |
| 무게 | 표준 무게 요구 사항. | 경량화가 최우선 과제입니다. |
| 리드 타임 | 툴링 설정이 필요합니다. | 툴링이 필요하지 않습니다(첫 번째 부품의 경우 더 빠릅니다). |
일반 가이드라인: 3축 CNC 밀에서 쉽게 가공할 수 있는 부품이라면 일반적으로 기존 가공이 더 비용 효율적입니다. 그러나 5축 가공, 내부 피처 또는 상당한 무게 감소가 필요한 부품의 경우 3D 프린팅이 더 나은 가치 제안을 제공하는 경우가 많습니다.
자주 묻는 질문(FAQ)
Q: 3D 프린팅된 티타늄은 단조 티타늄만큼 강하나요?
A: 예, 대부분의 산업용 애플리케이션에서 그렇습니다. 고밀도(99.5%+)로 올바르게 인쇄하고 적절하게 열처리(특히 HIP 사용)하면 DMLS 티타늄(Ti-6Al-4V)의 기계적 특성은 단조 소재에 대한 ASTM 표준을 충족하거나 초과합니다.
Q: 3D 프린팅한 티타늄은 녹이 슬나요?
A: 티타늄은 표면에 즉시 형성되는 안정된 보호 산화물 층으로 인해 자연적으로 부식에 강합니다. 이러한 특성으로 인해 해양이나 인체와 같은 열악한 환경에 이상적입니다.
Q: 3D 프린팅한 티타늄을 거울 마감으로 연마할 수 있나요?
A: 예. 부품은 무광 회색의 거친 질감(Ra 10-15µm)으로 프린터에서 나오지만 표준 티타늄과 동일한 고광택의 거울 같은 마감으로 가공, 텀블링 또는 수작업 연마할 수 있습니다.
Q: 3D 프린팅 티타늄이 비싼 이유는 무엇인가요?
A: 비용은 구형 티타늄 분말의 높은 가격, 산업용 기계에 대한 상당한 자본 투자($500k+), 집중적인 후처리(스트레스 완화, EDM, HIP)가 필요한 세 가지 주요 요인에 의해 결정됩니다.
요약
3D 프린팅 티타늄은 표준 제조 기능이 되었습니다. 이는 기존 가공을 완전히 대체하는 것이 아니라 보완하는 역할을 합니다.
이 기술을 통해 엔지니어는 기능적 설계 요구 사항에 집중할 수 있으므로 이전에는 제조할 수 없었던 형상을 제작할 수 있습니다.
