3D 프린팅 알루미늄 합금은 높은 중량 대비 강도, 우수한 열전도율, 내식성 등 여러 가지 장점을 가지고 있어 자동차, 항공우주, 소비재 및 기타 산업 전반의 3D 프린팅 애플리케이션에 적합한 소재입니다.
선택적 레이저 용융(SLM)과 직접 금속 레이저 소결(DMLS)은 알루미늄 합금 분말에 사용되는 주요 3D 프린팅 프로세스입니다. 고출력 레이저를 사용하여 분말 입자를 한 층씩 융합하여 복잡하고 사용자 정의 가능한 부품 형상을 만듭니다.
종류 3D 프린팅 알루미늄 합금
| 합금 | 구성 | 인쇄 프로세스 | 속성 | 애플리케이션 |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 알루미늄(Al)+실리콘(Si)(10%)+마그네슘(Mg) | 레이저 파우더 베드 퓨전(LPBF) | - 강도, 연성 및 인성의 균형이 우수 - 우수한 용접성 - 노화 경화 가능하여 강도 증가 | - 항공우주 부품(경량 구조물) - 자동차 부품(브래킷, 엔진 부품) - 전자 패키징 |
| AlSi7Mg(F357) | 알루미늄(Al)+실리콘(Si)(7%)+마그네슘(Mg) | LPBF | - AlSi10Mg와 비슷한 특성이지만 강도가 약간 낮음 - 녹는점이 낮아 인쇄가 용이함 | - 우수한 중량 대비 강도가 필요한 범용 애플리케이션 - 유체 취급 부품 - 브래킷 및 하우징 |
| Al2139 | 알루미늄(Al) + 구리(Cu)(4%) + 마그네슘(Mg) | LPBF | - 높은 강도 및 내피로성 - 우수한 가공성 | - 고강도가 요구되는 항공우주 부품 - 자동차 부품(서스펜션 부품) |
| 6061 | 알루미늄(Al)+마그네슘(Mg)(0.9%)+실리콘(Si)(0.6%)+구리(Cu)(0.3%) | LPBF(제한적), 바인더 분사(BJ) | - 우수한 내식성 - 우수한 가공성 및 용접성 - 적당한 강도 | - 우수한 만능 특성이 요구되는 프로토타입 및 기능성 부품 - 건축 부품 - 방열판 |
| 7075 | 알루미늄(Al)+아연(Zn)(5.6%)+마그네슘(Mg)(2.5%)+구리(Cu)(1.6%) | LPBF(제한적), 전자 빔 용융(EBM) | - 매우 높은 중량 대비 강도 비율 - 뛰어난 내마모성 - 용접 불가 | - 고강도 및 경량화가 요구되는 항공우주 부품 - 스포츠 용품(자전거 프레임, 야구 배트) |
| 스칼말로이 | 알루미늄(Al) + 스칸듐(Sc)(4%) + 마그네슘(Mg)(6%) | LPBF | - 7075 이상의 뛰어난 중량 대비 강도 - 우수한 내식성 - 높은 균열 저항성 | - 고성능 항공우주 부품 - 경량 갑옷이 필요한 방위 산업 분야 |
구성 3D 프린팅 알루미늄 합금
| 합금 지정 | 주요 합금 원소 | 추가 요소 | 속성 | 애플리케이션 |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 실리콘(10%) | 마그네슘(0.3-0.5%) | * 우수한 주조성(주조 응용 분야에 적합) * 우수한 용접성 * 높은 강도 및 인성 * 우수한 내식성 | * 범용 애플리케이션 * 자동차 부품 * 항공우주 부품(비임계) * 브래킷 및 하우징 * |
| AlSi7Mg(F357) | 실리콘(7%) | 마그네슘(0.3-0.5%) | * AlSi10Mg와 비슷한 성질이지만 강도가 약간 낮습니다 * 우수한 주조성 * 우수한 용접성 * 우수한 내식성 | * 조금 더 가벼운 무게가 필요할 때 자주 사용되는 AlSi10Mg와 유사한 응용 분야 * 엔진 부품 * 유체 처리 부품 |
| AlSi12 | 실리콘(12%) | * 높은 강도 및 내마모성 * 우수한 주조성 * 중간 정도의 용접성 * AlSi10Mg 및 F357에 비해 낮은 내식성 | * 마모 플레이트 * 기어 * 샌드 캐스팅 응용 분야(재료에 익숙하기 때문에 3D 프린팅 부품의 시작점으로 자주 사용됨) | |
| 스칼말로이 | 스칸듐(4.0-4.4%) | 마그네슘(0.3-0.5%) | * 뛰어난 중량 대비 강도 비율 * 우수한 내식성 * 우수한 용접성 * 최적의 특성을 위해 열처리 필요함 | * 항공우주 부품(고성능) * 자동차 부품(무게 중요) * 방위 애플리케이션 |
| EOS 알루미늄 Al2139 AM | 공개되지 않음(알루미늄-마그네슘-실리콘일 가능성이 높음) | * 적층 제조를 위해 특별히 개발 * 고온(최대 200°C)에서 우수한 강도 * 표준 주조 합금에 비해 가공성 향상 * 최적의 특성을 위해 열처리가 필요함 | * 고온 성능이 요구되는 항공우주 부품 * 자동차 부품 * 열교환기 부품 |
3D 프린팅 알루미늄의 특성
| 속성 | 세부 정보 |
|---|---|
| 표면 마감 | 파우더 접착으로 인해 반투명하고 계단식 표면 프로파일이 남을 수 있습니다. |
| 정확도 | 일반적으로 최대 ±0.1%의 높은 치수 정확도 가능 |
| 이방성 | 방향성이 약한 기계적 특성 관찰 |
| 다공성 | <1% 다공성 달성(최적화된 SLM 파라미터에서 달성) |
| 합금 유연성 | 많은 2xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx 성적 인쇄 가능 |
응용 3D 프린팅 알루미늄 합금
| 산업 | 일반적인 애플리케이션 |
|---|---|
| 항공우주 | 항공기 덕트, 열교환기, 구조용 브래킷 |
| 자동차 | 맞춤형 브래킷, 지지대, 방열판, 툴링 |
| 아키텍처 | 경량 패널, 장식용 격자, 작은 조각품 |
| 의료 | 수술 기구, 임플란트 등의 펌웨어 |
| 전자 제품 | 방열판과 같은 방열 장치 |
| 방어 | 리드 타임이 단축된 소량 부품 |
적층 제조용 알루미늄 분말 사양
| 매개변수 | 유형/범위 |
|---|---|
| 재료 | AlSi10Mg, AlSi7Mg0.6, AlSi12, AlSi9Cu3 |
| 입자 크기 | 25~65미크론 |
| 파티클 모양 | 대부분 구형, 일부 위성은 허용됨 |
| 겉보기 밀도 | 약 2.67g/cc |
| 유량 | <ASTM B964 기준 30초/50g 미만 |
| 잔류 산소 | <0.4%로 높은 인장 강도 제공 |
주요 공급업체 3D 프린팅 알루미늄 합금
| 공급업체 | 스페셜티 | 주요 제품 | 애플리케이션 | 추가 서비스 |
|---|---|---|---|---|
| Elementum 3D | 혁신적인 파우더 | 기존 및 분산 강화 변형을 포함한 기체 원자화 알루미늄 합금 분말 | 항공우주, 자동차, 방위 | 재료 개발, 응용 엔지니어링, 인쇄 매개변수 최적화 |
| APWorks | 고성능 합금 | 레이저 빔 용융(LBM)을 위한 확장 가능한 알루미늄 실리콘 마그네슘(AlSiMg) 합금 | 자동차 부품, 로봇 공학, 산업 기계 | 적층 제조를 위한 설계(DFAM) 컨설팅, 후처리 서비스 |
| SLM 솔루션 | 설립 제조업체 | 선택적 레이저 용융(SLM) 공정에 최적화된 알루미늄 합금(AlSi10Mg 및 스칼말로이 포함) | 의료용 임플란트, 항공우주 부품, 열교환기 | 기계 판매 및 지원, 특정 합금에 대한 파라미터 개발 |
| EOS GmbH | 멀티 프로세스 호환성 | 레이저 빔 용융(LBM) 및 전자 빔 용융(EBM) 기술과 모두 호환되는 알루미늄 합금 | 항공우주 부품, 소비자 가전, 의료 기기 | 장비 선택 및 공정 최적화에 대한 컨설팅, 교육 프로그램 |
| 회가나스 | 금속 분말 전문성 | 엄격한 크기 및 형태 제어가 가능한 가스 원자화 알루미늄 분말 | 열교환기, 자동차 부품, 전자제품 인클로저 | 분말 특성화 및 테스트, 새로운 합금 개발 협업 |
| 로얄 합금 | 다양한 합금 포트폴리오 | 성능 향상을 위해 스칸듐 및 리튬을 포함한 다양한 알루미늄 합금 분말을 추가했습니다. | 항공우주 부품, 방위 애플리케이션, 고성능 방열판 | 재료 선택 안내, 인쇄 가능성 테스트, 맞춤형 파우더 개발 |
| Norsk Hydro | 지속 가능한 생산 | 환경에 미치는 영향을 최소화하는 데 중점을 두고 생산된 알루미늄 합금 분말 | 자동차 부품, 건축 부품, 가전 제품 | 재료에 대한 전과정평가(LCA) 데이터, 지속 가능한 제조 관행 지원 |
| ExOne | 바인더 분사 기술 | 바인더 분사 적층 제조(BJAM)를 위해 특별히 제조된 알루미늄 합금 | 자동차 프로토타입, 모래 주조 금형, 산업용 툴링 | 적층 제조를 위한 설계(DFAM) 서비스, BJAM 부품 후처리 전문 지식 |
| DMG 모리 세이키 | 통합 솔루션 | 호환 가능한 금속 3D 프린터와 함께 알루미늄 합금 분말 | 툴링 및 금형, 의료용 임플란트, 항공우주 부품 | 기계 판매 및 서비스, 금속 적층 제조 워크플로에 대한 교육 |
| 목수 적층 제조 | 특수 합금 | 중량 대비 강도가 높고 내식성이 향상된 알루미늄 합금 | 해양 부품, 석유 및 가스 장비, 화학 처리 애플리케이션 | 재료 선택 지원, 애플리케이션 엔지니어링 서비스, 프로토타입 제작 지원 |
3D 프린팅 알루미늄의 장단점
| 기능 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|
| 자유로운 디자인 |
비교할 수 없는 복잡성: 기존 방식으로는 불가능한 복잡한 격자 구조, 내부 채널, 경량화 기능을 구현할 수 있습니다. 설계자가 한계를 뛰어넘어 고성능 부품을 제작할 수 있습니다. 신속한 프로토타이핑: 설계를 빠르게 반복하고 테스트하여 개발 시간과 비용을 절감할 수 있습니다. |
지원 구조: 복잡한 지오메트리에는 복잡한 서포트 구조가 필요한 경우가 많아 후처리 시간이 길어지고 원치 않는 표면 텍스처가 생성될 가능성이 있습니다. |
| 머티리얼 속성 |
뛰어난 무게 대비 강도 비율: 알루미늄은 무게와 강도 사이의 균형이 잘 잡혀 있어 항공우주 및 자동차처럼 경량화가 중요한 분야에 이상적입니다. 내식성: 많은 알루미늄 합금은 부식에 대한 저항성이 뛰어나 열악한 환경에 노출되는 부품에 특히 유용합니다. |
이방성: 3D 프린팅의 레이어 특성으로 인해 이방성 특성이 발생할 수 있으며, 이는 프린팅 방향에 따라 재료의 강도가 달라질 수 있음을 의미합니다. 따라서 특정 애플리케이션의 경우 설계 조정이 필요할 수 있습니다. 다공성: 인쇄 공정에 따라 재료 내에 작은 공극이나 기공이 존재하여 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 열간 등방성 프레스(HIP)와 같은 후처리 기술을 사용하면 이러한 문제를 완화할 수 있습니다. |
| 제조 |
리드 타임 단축: 3D 프린팅을 사용하면 주문형 생산이 가능하므로 복잡한 툴링이 필요 없고 프로토타입이나 소량 부품의 리드 타임을 최소화할 수 있습니다. 재료 낭비 최소화: 3D 프린팅의 적층적 특성은 기존의 감산적 제조 방식에 비해 재료 낭비를 크게 줄여줍니다. |
높은 비용: 알루미늄 3D 프린팅 기술과 장비는 아직 상대적으로 고가이기 때문에 기존 방식에 비해 대량 생산에는 비용 효율성이 떨어집니다. 구축 시간: 복잡한 금속 부품을 인쇄하면 시간이 오래 걸리고 전체 생산 속도에 영향을 미칠 수 있습니다. |
| 포스트 프로세싱 |
표면 마감: 일부 3D 프린팅 기술은 우수한 표면 마감을 제공하지만, 거칠기는 일반적인 문제입니다. 특정 애플리케이션의 경우 가공, 연마 또는 샌드블라스팅과 같은 후처리 기술이 필요할 수 있습니다. 열처리: 특정 알루미늄 합금은 최적의 기계적 특성을 얻기 위해 인쇄 후 열처리가 필요할 수 있습니다. |
추가 비용 및 시간: 후처리는 부품의 전체 생산 시간과 비용을 추가합니다. |
| 애플리케이션 |
항공우주: 복잡한 형상의 경량 고강도 부품을 제작할 수 있는 3D 프린팅 알루미늄은 열교환기, 브래킷, 구조 부품과 같은 항공우주 분야에 이상적입니다. 자동차: 자동차 산업에서 무게 감소는 주요 관심사입니다. 3D 프린팅 알루미늄 부품은 휠, 엔진 부품, 경량 섀시 구조와 같은 부품에 사용할 수 있습니다. 의료: 생체 적합성 알루미늄 합금을 사용하여 맞춤형 보철물 및 임플란트를 제작할 수 있습니다. |
고응력 구성 요소에 대한 제한된 애플리케이션: 잠재적인 이방성 및 다공성으로 인해 3D 프린팅 알루미늄은 모든 고응력 애플리케이션에 적합하지 않을 수 있습니다. 따라서 신중한 설계와 소재 선택이 중요합니다. |
자주 묻는 질문
Q: 적층 가공에 가장 적합한 알루미늄 합금은 무엇인가요?
A: AlSi10Mg는 가장 널리 채택된 알루미늄 합금으로 유동성, 강도, 경도 및 내식성이 우수하고 다양한 프린터에서 호환성이 뛰어납니다.
Q: 빌드 방향이 3D 프린팅된 알루미늄 컴포넌트의 프로퍼티에 영향을 주나요?
A: 예, 수직으로 제작하면 층별 구조로 인해 수평으로 제작하는 부품에 비해 인장 및 항복 강도가 20-30% 더 낮을 수 있습니다. 기계적 성능은 또한 레이어에 평행 또는 수직으로 하중을 가하느냐에 따라 달라집니다.
Q: 알루미늄 특성을 향상시킬 수 있는 솔루션 열처리에는 어떤 것이 있나요?
A: AlSi10Mg와 같은 일부 첨가제 제조 합금의 T6 열처리(용해 후 인위적으로 노화 경화)는 준공 상태와 비교하여 인장 강도, 경도 및 연성을 크게 높일 수 있습니다.
Q: 적층 가공된 알루미늄 부품의 표면 마감은 어떻게 개선되나요?
A: 샌드 블라스팅, 비드 블라스팅, 레이저 연마, CNC 가공, 연마 또는 라이닝과 같은 다양한 마감 절차를 통해 파우더 기반 프린팅의 알루미늄 표면에서 일반적으로 관찰되는 계단식 윤곽을 매끄럽게 처리할 수 있습니다.
Q: 알루미늄 파우더 재사용이 3D 프린팅 부품 속성에 영향을 미치나요?
A: 일반적으로 알루미늄 빌드 파우더를 10~20회까지 재활용해도 기계적 성능에는 영향을 미치지 않습니다. 하지만 약 25회 이상의 재사용 주기가 지나면 파우더 유동성 감소, 밀도 저하, 산소/질화물 불순물 증가로 인해 소재의 품질과 강도가 저하되기 시작할 수 있습니다.
