개요
3D 금속 프린팅 파우더적층 제조 또는 직접 금속 레이저 소결이라고도 하는 3D 프린팅은 디지털 디자인에서 복잡한 금속 부품을 직접 제작할 수 있는 혁신적인 생산 기술입니다. 레이저가 미세한 금속 분말을 한 층씩 선택적으로 융합하여 완성된 3D 물체를 만들어냅니다.
이 혁신적인 기술을 가능하게 하는 핵심 요소는 금속 파우더입니다. 파우더의 특성과 품질은 인쇄된 금속 부품의 기계적 특성, 정확도, 표면 마감 및 전반적인 성능에 큰 영향을 미칩니다.
이 문서에서는 3D 프린팅용 금속 분말에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다. 최신 업계 연구와 표준을 바탕으로 파우더 유형, 구성, 특성, 사양, 응용 분야, 장점, 한계 등을 살펴봅니다. 차세대 산업 혁명의 중심에 있는 이 매력적인 소재에 대한 더 깊은 통찰력을 얻으려면 계속 읽어보세요.
종류 3D 금속 프린팅 파우더
3D 프린팅 파우더에는 여러 가지 합금과 금속 재료를 사용할 수 있습니다. 가장 일반적인 옵션은 다음과 같습니다:
스테인리스 스틸 파우더
스테인리스 스틸은 높은 강도, 내식성, 고온을 견디는 능력으로 인해 3D 프린팅에 가장 많이 사용되는 금속 중 하나입니다. 가장 일반적으로 사용되는 스테인리스강 합금은 다음과 같습니다:
- 316L 스테인리스 스틸 - 내식성과 기계적 특성이 우수한 표준 합금입니다. 316L은 탄소 함량이 낮아 인쇄 시 잔류 응력을 최소화합니다.
- 17-4PH 스테인리스 스틸 - 인쇄 후 열처리를 통해 매우 높은 수율과 궁극적인 인장 강도를 달성할 수 있는 침전 경화 스테인리스 스틸입니다.
- 15-5PH 스테인리스 스틸 - 강도와 경도가 높은 또 다른 침전 경화 스테인리스강입니다. 15-5PH는 17-4PH보다 내식성이 우수합니다.
- 듀플렉스 스테인리스강 - 페라이트계 오스테나이트계 미세 구조가 혼합된 합금. 듀플렉스강은 오스테나이트 316L강에 비해 우수한 수율과 인장 강도를 제공합니다. 일반적인 듀플렉스 합금으로는 2205와 2304가 있습니다.
공구강
공구강은 경도, 내마모성 및 압축 강도가 매우 높습니다. 이 그룹에 속하는 일반적인 금속 분말은 다음과 같습니다:
- H13 공구강 - 고온에서 높은 경도와 안정성을 유지하는 매우 다재다능한 Cr-Mo-V 열간 가공용 공구강입니다.
- P20 공구강 - 가공성과 연마성이 우수한 다용도 저합금 금형강입니다. P20은 종종 H13 공구강의 저렴한 대안으로 사용됩니다.
- 마레이징 강재 - '마레이징'은 마르텐사이트 노화를 의미합니다. 이 강철은 노화 열처리를 통해 초고강도를 달성합니다. 일반적인 마레이징 합금은 18Ni(350) 및 18Ni(300)입니다.
알루미늄 합금
알루미늄은 가볍고 내식성이 뛰어나며 열전도율이 높아 항공우주, 자동차 및 고열 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 일반적인 알루미늄 분말에는 다음이 포함됩니다:
- AlSi10Mg - 유동성, 안정성 및 기계적 특성이 뛰어나 가장 널리 사용되는 알루미늄 합금입니다. Si와 Mg는 강화제 역할을 합니다.
- AlSi7Mg - AlSi10Mg와 매우 유사합니다. 실리콘 함량이 낮을수록 분말 유동성이 향상됩니다.
- 스칼말로이 - 스칸듐을 첨가하여 뛰어난 항복 강도를 얻는 고강도 Al-Mg-Sc 합금입니다.
코발트 및 니켈 초합금
이러한 고급 금속 분말은 복잡한 구성 덕분에 내열성과 내마모성이 매우 높습니다. 일반적인 합금은 다음과 같습니다:
- 인코넬 718 - 고용체 및 침전 경화 열처리를 통해 놀라운 고온 강도를 지닌 니켈-크롬 기반 초합금입니다.
- 인코넬 625 - 극한의 온도에서도 우수한 산화 및 내식성. 항공우주, 화학 및 해양 분야에서 널리 사용됩니다.
- 코발트-크롬(CoCr) - 탄화크롬으로 강화된 코발트는 보철물 및 치과용 크라운/브릿지와 같은 생체 적합성 임플란트를 제작합니다.
- 하스텔로이 - 몰리브덴, 크롬, 텅스텐이 첨가된 내식성 니켈 합금입니다.
티타늄 및 티타늄 합금
순수 티타늄은 고강도와 저밀도의 궁극적인 조합을 제공합니다. 알루미늄, 바나듐, 철과 같은 합금 원소는 추가적인 이점을 제공합니다:
- Ti6Al4V - 알루미늄이 알파상을 안정시키고 바나듐이 베타상을 강화하는 가장 인기 있는 티타늄 합금입니다.
- TiAl6V4 - 알루미늄 함량이 높을수록 기계적 특성과 내산화성이 더욱 향상됩니다.
- Ti6Al4V ELI - 'ELI'는 산소, 질소, 탄소가 적은 초저간극을 의미합니다. 일반 Ti64보다 골절 저항성이 향상되었습니다.
내화물 및 금속 간 합금
이러한 고급 파우더는 극한의 온도를 견디거나 강도/경도가 매우 높습니다:
- 텅스텐 카바이드(WC/Co) - 코발트 바인더 상에 의해 결합된 경질 텅스텐 카바이드는 강철보다 더 단단하면서도 인성을 유지합니다.
- 몰리브덴(Mo) - 순수 몰리브덴 분말은 750°C가 넘는 온도에서도 견딜 수 있는 높은 내열성을 가진 부품을 만듭니다.
- 인코넬 625 - 니켈-크롬 기반 초합금 분말은 최대 980°C의 산화 환경에서도 높은 강도를 유지하는 물체를 만듭니다.
귀금속
금, 은, 백금과 같은 귀금속의 고유한 특성도 3D 프린팅에 적합합니다:
- 은(Ag) - 순은 분말은 복잡한 인쇄 형상에서도 뛰어난 전기 및 열 전도성 특성을 유지합니다.
- 금(Au) - 대부분의 인쇄 금은 경도를 개선하고 특성을 최적화하기 위해 은, 구리, 팔라듐과 같은 소량의 금속을 합금한 금입니다.
- 플래티넘(Pt) - 백금 분말은 생체 적합성이 있으며 부식과 화학적 공격에 강합니다. 의료용 임플란트 및 실험실 장비를 만드는 데 사용됩니다.
이 표에는 가장 일반적인 금속 인쇄 분말의 특성이 요약되어 있습니다:
| 파우더 유형 | 구성 | 주요 속성 |
|---|---|---|
| 316L 스테인리스 스틸 | Fe/Cr18/Ni10/Mo3 | 내식성, 높은 연성 |
| 17-4PH 스테인리스 스틸 | Fe/Cr17/Ni4/Cu4 | 강수량 경화 후 고강도 |
| AlSi10Mg | Al/Si10/Mg0.5 | 가볍고 튼튼하며 우수한 열전도율 |
| 인코넬 718 | Ni/Cr18/Fe19/Nb5 | 극한의 온도에서도 높은 강도 유지 |
| Ti6Al4V | Ti/Al6/V4 | 저밀도, 생체 적합성, 고강도 |
| 텅스텐 카바이드 | WC/Co | 매우 단단하고 내열성이 뛰어남 |
| 실버 | Ag > 99% | 뛰어난 전기/열 전도성 |
금속분말 생산방법
고품질 3D 프린팅에 필요한 특성을 얻기 위해서는 금속 분말이 특정 물리적 특성과 입자 크기 분포를 가져야 합니다. 여러 가지 파우더 생산 기술이 사용됩니다:
가스 분무
- 용융 금속 흐름은 고압 불활성 가스 제트에 의해 분해됩니다.
- 인쇄에 이상적인 구형 분말 생산 - 높은 유동성, 포장 밀도
- 미세한 스테인리스강, 공구강, 초합금 및 티타늄 분말을 위한 가장 일반적인 방법
물 분무
- 워터 제트를 사용하여 용융 금속을 미세한 물방울로 분해합니다.
- 불규칙한 분말 모양은 흐름에 영향을 주지만 가스 분무보다 저렴합니다.
- 일반적으로 알루미늄 및 마그네슘과 같은 보다 저렴한 옵션에 사용됩니다.
플라즈마 원자화
- 초고에너지 플라즈마 아크가 금속을 녹여 미세한 입자로 분산시킵니다.
- 티타늄 알루미나이드와 같은 반응성 합금으로 고구형 분말을 생성합니다.
- 파우더는 순도가 높고 복잡한 디테일을 더 정확하게 인쇄할 수 있습니다.
전극 유도 용융 가스 분무(EIGA)
- 유도 용융과 가스 분무의 결합
- 화학 성분 및 청결도에 대한 탁월한 제어
- 니켈 초합금 및 귀금속과 같은 특수 합금에 사용됩니다.
기계적 합금
- 고에너지 볼 밀링 공정으로 생산된 분말
- CMD 구리 합금, 알루미늄 복합재 및 이종 금속에 사용됩니다.
- 혼합 원소 분말에서 미세한 균질 조성물 생성
고품질 금속 3D 프린팅에 필수적인 원하는 합금 화학, 입자 모양, 크기 분포, 순도 수준 및 유동 특성을 얻기 위해서는 적절한 파우더 생산 기술이 중요합니다.
금속 분말 특성
3D 프린팅 분말은 화학, 입자 크기 분포, 형태, 미세 구조 및 기타 매개변수 측면에서 엄격한 사양을 준수해야 합니다. 주요 특징은 다음과 같습니다:
입자 크기 분포
일반적인 범위는 15미크론에서 45미크론입니다. 중요한 요소는 다음과 같습니다:
- D10 - 10%의 입자가 떨어지는 크기입니다.
- D50 - 이 직경 위아래로 50%가 있는 입자 크기 중앙값입니다.
- D90 - 90%의 분말이 이 직경보다 작은 크기입니다.
이상적인 값입니다: D10: 20-25 μm; D50: 30-35 μm; D90: 40-45 μm
파티클 모양 및 표면 형태
- 표면이 매끄러운 고구형 입자는 파우더가 가장 쉽게 퍼지고 밀도가 가장 높습니다.
유량 및 겉보기 밀도
- 유량에 따라 인쇄 시 파우더가 쉽게 퍼지는지 여부가 결정됩니다.
- 겉보기 밀도는 파우더가 고정된 부피에서 얼마나 조밀하게 뭉쳐져 있는지를 나타냅니다.
- 값은 입자 모양, 크기 분포, 표면 구조와 같은 요인에 따라 달라집니다.
- 가스 분무 분말은 유동성과 포장 밀도가 가장 높습니다.
탭 밀도
- 기계적 두드림/교반 후 최대 밀도 달성
- 탭 밀도가 높을수록 최종 부품 밀도 향상
하우스너 비율
- 탭 밀도와 겉보기 밀도 사이의 비율
- 1.1 이하의 낮은 비율은 유동성이 양호함을 나타냅니다.
- 비율이 1.4보다 높을수록 응집력이 떨어지고 흐름이 원활하지 않음을 나타냅니다.
잔류 산화물 및 불순물
- 순도는 매우 중요하며, 산소와 질소는 다공성 결함을 유발할 수 있습니다.
- 화학 물질은 합금 사양을 준수해야 합니다.
- 가스, 플라즈마 및 EIGA 분무로 가장 깨끗한 분말 제공
내부 미세 구조
- 분말 생산 중 조성, 응고 속도에 따라 다름
- 최적의 레이어 융합을 위해 필요한 단상, 등축 입자
- 일부 합금은 고유한 특성을 위해 의도적으로 이중상을 생성합니다.
입자 경도
- 완제품의 성능에 영향을 미침
- 정량화에 사용되는 비커의 피라미드 수(HV)
- 단단한 입자는 분말이 퍼지는 동안 변형에 저항합니다.
위성 형성
- 분말 생산 과정에서 작은 입자가 큰 입자와 결합할 수 있습니다.
- 위성은 인쇄 중 용융 풀 형성에 영향을 줄 수 있습니다.
- 가스 분무 분말에는 최소한의 위성이 있습니다.
표면 화학
- 표면 작용기가 분말 확산 + 융합에 미치는 영향
- 제작 중 대기와 온도가 영향을 미칩니다.
- 불활성 처리로 산화물 없는 깨끗한 분말 화학 물질 생성
이러한 파우더 특성에 대한 엄격한 품질 관리를 유지하는 것은 성공적인 고품질 3D 프린팅을 위해 매우 중요합니다.
금속 분말 사양
3D 프린터 제조업체와 ISO 및 ASTM과 같은 기관은 대부분의 금속 프린팅 파우더에 대한 표준 사양을 보유하고 있습니다. 일반적인 매개변수는 다음과 같습니다:
크기 분포
- 권장 범위를 따르는 D10, D50, D90 값
- 최대 위성 콘텐츠 < 1%
화학적 적합성
- 공개된 합금 조성 범위를 충족하는 원소 조성
- 낮은 산소 및 질소 수준(1000ppm 미만)
- 합금에 따른 잔류 탄소 및 유황량
겉보기 및 탭 밀도
- 겉보기 밀도 2.5-4.5g/cm3
- 겉보기 밀도보다 최대 65% 높은 탭 밀도
유량
- 홀 유량계 테스트 > 15초/50g
수분 함량
- 높은 습도는 분말 응집의 원인이 됩니다.
- 최대 수분 함량 < 0.02%
표면 산화물
- 산화물과 오염 물질은 다공성 결함을 일으킬 수 있습니다.
- 입자 표면을 확인하기 위한 SEM 이미징
평판이 좋은 분말 제조업체는 모든 배치를 테스트하고 전체 분석 데이터는 물론 MLS 비율, 하우저 비율, Carr 지수, 비중계 및 홀 유량계 결과를 제공하여 분말이 확립된 표준에 적합한지 확인합니다.
금속 인쇄 분말 응용 분야
3D 금속 프린팅은 다양한 산업 분야의 생산을 혁신합니다. 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다:
항공우주
- 항공기 및 로켓 엔진 구성품 - 터빈, 노즐, 연료 시스템
- 티타늄, 알루미늄, 인코넬로 제작된 구조용 기체 및 랜딩기어 부품
- 상당한 무게 절감, 부품 통합, 성능 향상
의료 및 치과
- 무릎, 엉덩이, 어깨와 같은 관절 재건 임플란트
- 치과 임플란트, 크라운 및 브릿지
- 두개골 플레이트, 수술 기구, 환자 맞춤형 가이드 및 도구
- 생체 적합성 코발트 크롬, 티타늄, 스테인리스 스틸 및 귀중한 합금 소재
자동차
- 경량화 프로토타입 및 생산 자동차 부품 - 섀시, 드라이브 트레인
- 사출 성형을 위한 컨포멀 냉각 툴링
- 조립 라인용 맞춤형 지그, 픽스처
- 구조용 스테인리스 스틸 부품에 대한 인증 진행 중
산업 제조
- 금속 툴링 - 사출 성형, 열성형, 판금 성형
- 경화 공구강으로 프레스 및 스탬핑 금형 제작
- 컨포멀 냉각 채널로 공구 사이클 시간 최소화
- 단기 생산 툴링의 신속한 처리 시간 단축
석유 및 가스
- 스테인리스 스틸 및 하스텔로이 밸브, 펌프, 생산용 파이프
- 해양용 내식성 인코넬 부품
- 컨포멀 채널로 압력 강하 손실 최소화
소비자 가전
- 맞춤형 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 인클로저, 쉴드, 프레임
- 열 방출을 위한 열 관리 장치
- 전자파 차폐 부품
- 고급 디자이너 주얼리 - 금, 은, 백금
3D 프린팅과 같은 신속한 제조 기술은 획기적인 기능, 성능, 디자인의 자유를 제공합니다. 금속 프린팅 파우더의 고유한 특성은 거의 모든 산업에서 생산 준비가 완료된 최종 사용 부품의 성능을 향상시킵니다.
3D 금속 프린팅 파우더 공급업체
현재 대부분의 주요 금속 제조 대기업은 적층 제조 전용 특수 분말을 생산하고 있습니다. 주요 글로벌 공급업체는 다음과 같습니다:
| 회사 | 주요 제품 | 설명 |
|---|---|---|
| 샌드빅 | 오스프리 스테인리스, 공구강, 고합금 분말 | 글로벌 기술 센터를 보유한 스테인리스, 고합금 및 공구강 분무 분야의 업계 선두주자 |
| 목수 첨가제 | 17-4PH, 304L, 합금 625, 코발트 크롬, 티타늄 등급 | 저합금강, 스테인리스강, 니켈 합금, 티타늄 및 코발트 크롬을 포함하는 광범위한 포트폴리오 |
| 프렉스에어 | TAFA 금속 인쇄성 분말 | 인쇄에 최적화된 좁은 크기 분포와 구형 형태 |
| 회가나스 | 디지털 금속 등급 | 고품질 분무 스테인리스강, 공구강, 코발트 크롬 및 니켈 합금 분말 |
| LPW 기술 | LPW 파우더 솔루션 | 티타늄 및 알루미늄 합금과 같은 반응성 재료에 대한 플라즈마 분무 전문 업체입니다. |
| 아캐스트 | 아캐스트 메탈 3D 프린팅 파우더 | 스테인리스, 공구강, 니켈 초합금 등 다양한 범위의 상용 규모 분무 용량 |
| 금속 분말 산업 연맹 | MPIF 표준 35 | 금속 분말에 대한 공인 규격 표준을 제정하는 글로벌 연맹 |
평판이 좋은 공급업체는 집중적인 R&D와 엄격한 품질 관리를 통해 분말에 대한 포괄적인 구성 및 특성 데이터를 제공합니다. 많은 업체가 맞춤형 합금 개발 서비스도 제공합니다. 글로벌 공급망 물류는 주요 시장에서 안정적인 가용성을 보장합니다.
3D 금속 프린팅 파우더 가격
스테인리스 스틸 316L - $50-100 kg당 USD
마레이징 강재(300 등급) - $100-200 kg당 USD
알루미늄 AlSi10Mg - $30-60 kg당 USD
티타늄 Ti6Al4V(5등급) - $200-400 kg당 USD
인코넬 718 - $100-200 kg당 USD
코발트 크롬 F75 - $100-250 kg당 USD
가격은 다음에 따라 다릅니다:
- 순도 수준
- 크기 분포
- 최소 주문 수량
- 맞춤형 합금 개발 비용
- 수입 관세/세금
금속 3D 프린팅의 장단점
장점
- 복잡한 형상을 위한 자유로운 설계
- 부품을 단일 구성 요소로 통합
- 토폴로지 최적화를 통한 경량화
- 부품 수 감소로 인한 조립 시간 단축
- 고강도 합금 옵션
- 기능 통합 - 예: 컨포멀 냉각 채널
- 신속한 초안 작성 및 사용자 지정
- 단종/레거시 예비품의 온디맨드 생산
- 감산 기법에 비해 재료 낭비 감소
제한 사항
- 기존 대량 생산에 비해 부품 비용이 높음
- 장비 제작량에 따라 크기가 제한됩니다.
- 현재 인증 및 자격을 갖춘 합금 옵션의 종류가 제한되어 있습니다.
- 낮은 치수 정확도와 미세한 표면 마감을 위해서는 2차 가공이 필요합니다.
- 빌드 방향에 따라 속성이 달라지는 기계적 이방성
- 전체 밀도 통합에 필요한 핫 아이소스타틱 프레싱과 같은 포스트 프로세싱
- 일부 애플리케이션에 대한 업계 표준 부족
기술과 재료 과학이 빠르게 발전함에 따라 인쇄 가능한 금속의 범위가 품질 및 반복성과 함께 기하급수적으로 확대되고 있습니다.
자주 묻는 질문
3D 프린팅용 금속 분말에는 어떤 입자 크기 범위가 필요합니까?
- 일반적인 크기 범위는 15-45미크론입니다.
- 분포 곡선은 D10, D50 및 D90 입자 직경을 지정합니다.
- 값은 원하는 레이어 해상도에 따라 다르지만 일반적으로 20~45미크론입니다.
스테인리스 스틸 316L과 17-4PH 파우더의 차이점은 무엇인가요?
- 철/크롬/니켈 합금 모두. 316L은 내식성이 더 우수합니다.
- 17-4PH는 침전 경화 열처리 후 강도와 경도가 더 높습니다.
- 316L은 내식성이 필요한 해양, 화학 및 생물의학 분야에서 더 많이 사용되고 있습니다.
- 17-4PH는 높은 내마모성이 필요한 툴링 응용 분야에 적합합니다.
금속 프린팅 파우더에 모양이 중요한 이유는 무엇인가요?
- 구형이 높은 입자는 더 나은 흐름과 높은 포장 밀도를 가집니다.
- 인공위성이 없는 매끄러운 표면 형상으로 최적의 융합 보장
- 가스 분무 파우더는 최고 품질의 인쇄물을 만들어냅니다.
