금속 적층 제조 개요
금속 적층 제조금속 3D 프린팅이라고도 하는 적층 제조는 3D 모델 데이터에서 직접 금속 부품을 빠르게 제작하는 혁신적인 기술입니다. 재료를 제거하는 CNC 가공과 같은 감산 제조 방식과 달리 적층 제조는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 티타늄, 니켈 합금 등의 금속을 사용하여 부품을 한 층씩 쌓아 올립니다.
금속 3D 프린팅은 기존 제조 방식에 비해 설계의 자유도, 맞춤화 및 최적화를 통해 무게, 재료 사용량 및 리드 타임을 줄일 수 있습니다. 부품을 하나의 부품으로 통합하거나 컨포멀 냉각 채널을 내장하거나 주조나 기계 가공으로는 불가능한 유기적 형상으로 설계할 수 있습니다. 금속 3D 프린팅은 항공우주, 의료, 자동차, 에너지와 같은 산업 전반에 걸쳐 혁신을 위한 새로운 잠재력을 제공합니다.
이 종합 가이드는 다양한 금속 3D 프린팅 공정, 재료, 응용 분야, 장점 및 한계에 대한 기술적 세부 정보를 제공합니다. 주요 정보를 비교하기 쉬운 표로 정리하여 다양한 금속 3D 프린팅 기술의 기능과 장단점을 강조합니다. 적층 제조가 금속 제조에 어떤 혁신을 일으키고 있는지 자세히 살펴보세요.
금속 적층 제조의 주요 특징:
- 디지털 3D CAD 모델에서 완전 고밀도 최종 사용 금속 부품 생산
- 기계 가공과 같은 빼기 방식과 달리 재료를 레이어별로 추가합니다.
- 주조나 가공으로는 불가능한 복잡하고 최적화된 형상을 구현합니다.
- 기존 기술 대비 낭비, 에너지 사용 및 리드 타임 감소
- 신속한 프로토타이핑과 직접 부품 생산 촉진
- 항공우주, 의료, 자동차 및 기타 분야로 애플리케이션 확장
금속 적층 제조 공정의 유형
금속 부품을 적층 인쇄하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 주요 금속 적층 제조 공정 범주에는 파우더 베드 융합, 지향성 에너지 증착, 바인더 분사, 시트 적층이 포함됩니다. 각 방식은 재료, 정확도, 비용 등의 측면에서 고유한 기능을 갖추고 있습니다.
표 1: 주요 금속 적층 제조 공정 개요
| 프로세스 | 설명 | 재료 | 정확도 | 포스트 프로세싱 |
|---|---|---|---|---|
| 파우더 베드 퓨전 | 열 에너지를 사용하여 파우더 베드의 영역을 선택적으로 용융합니다. 선택적 레이저 용융(SLM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 전자빔 용융(EBM)이 포함됩니다. | 알루미늄, 강철, 티타늄, 니켈 합금 | 높음, ± 0.1-0.2mm | 일부 가공 및 열처리 |
| 직접 에너지 증착 | 증착되는 원료를 녹여 재료를 융합하는 데 열 에너지를 집중합니다. 레이저 엔지니어링 네트 성형(LENS) 및 레이저 금속 증착(LMD)이 포함됩니다. | 알루미늄, 스틸, 티타늄, 코발트 크롬 | 중간, ± 0.5mm | 더 많은 가공 및 마무리 작업 |
| 바인더 분사 | 액체 결합제는 분말 재료 층을 선택적으로 결합합니다. 부품은 프린팅 후 소결됩니다. | 스테인리스 스틸, 일부 합금 | 낮음, ± 2mm | 디바인딩, 소결 및 침투가 필요합니다. |
| 시트 적층 | 판금 층을 접착하여 부품을 성형한 다음 레이저 또는 CNC 가공을 사용하여 다듬습니다. | 알루미늄, 스틸, 티타늄 | 중간, ± 0.5mm | 라미네이션 후 레이저 커팅 또는 CNC 가공 |
파우더 베드 융합 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)과 같은 기술은 현재 가장 널리 사용되는 금속 적층 제조 공정입니다. 이 기술은 기계 가공과 동등한 수준의 높은 해상도, 우수한 재료 특성, 스테인리스강부터 니켈 기반 합금에 이르는 광범위한 금속을 사용할 수 있습니다. 원료는 미세한 금속 분말로, 층으로 펼쳐져 있고 제어된 대기 챔버에서 집중된 열원에 의해 선택적으로 용융됩니다.
직접 에너지 증착 레이저 엔지니어링 네트 성형(LENS)과 같은 방법은 용융 풀을 기판에 집중시켜 재료를 연속적으로 추가합니다. 이를 통해 용융된 파우더 또는 와이어 공급 원료를 증착하여 더 큰 크기의 부품을 제작할 수 있습니다. 해상도는 낮지만 파우더 베드 방식처럼 제작 크기가 제한되지 않습니다. 후처리가 덜 필요하지만 표면 조도가 떨어집니다.
바인더 분사 액체 결합제를 사용하여 금속 분말 층을 서로 결합합니다. 이렇게 만들어진 "녹색" 부품을 소결하고 구리 또는 청동으로 침투시켜 완전한 밀도를 달성해야 합니다. 현재 재료 옵션은 제한되어 있지만 바인더 제팅을 사용하면 작고 복잡한 금속 부품을 보다 경제적으로 대량으로 생산할 수 있습니다.
시트 라미네이션 접착제 또는 용접을 사용하여 얇은 판금 층을 서로 접착합니다. 그런 다음 레이저 또는 CNC 가공을 통해 스택을 3D 모양으로 절단합니다. 정확도는 좋지만 시트 두께에 따라 형상에 제한이 있습니다.
각 공정마다 장점과 가장 적합한 응용 분야가 있습니다. 적합한 금속 3D 프린팅 기술을 선택하는 것은 재료 요구 사항, 정밀도, 표면 마감, 배치 크기 및 비용과 같은 요소에 따라 달라집니다.
금속 적층 제조용 재료
파우더 베드 융합, 지향성 에너지 증착, 바인더 분사 및 시트 적층 방식을 사용하여 스테인리스 스틸부터 초합금까지 다양한 금속을 프린트할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 금속 3D 프린팅 재료는 다음과 같습니다:
표 2: 일반적인 금속 적층 제조 재료
| 재질 | 프로세스 | 속성 | 애플리케이션 |
|---|---|---|---|
| 스테인리스 스틸 | PBF, BJ | 고강도, 내식성 | 항공우주, 자동차, 의료 |
| 알루미늄 합금 | PBF, DED | 가볍고 우수한 열 전도성 | 자동차, 항공우주 |
| 티타늄 합금 | PBF, DED | 높은 중량 대비 강도 비율 | 항공우주, 의료용 임플란트 |
| 니켈 합금 | PBF | 내열성 및 내식성 | 항공우주, 에너지 |
| 코발트 크롬 | DED | 생체적합성, 내마모성 | 의료용 임플란트, 툴링 |
| 공구강 | PBF, BJ | 높은 경도, 열 안정성 | 툴링, 금형, 금형 |
스테인리스 스틸 316L 및 17-4PH와 같은 소재는 강도, 내식성, 인쇄 및 후처리가 상대적으로 용이하여 산업 전반에 걸쳐 널리 사용됩니다.
알루미늄 합금 같은 AlSi10Mg 기계 가공이나 주조가 어려운 항공우주 및 자동차 부품의 경량화를 지원합니다.
티타늄 합금 Ti64와 같은 소재는 생체 적합성과 함께 구조 부품에 이상적인 높은 중량 대비 강도 비율을 가지고 있습니다.
니켈 초합금 파우더 인코넬 718 및 625와 같은 소재는 고온에서 기계적 특성이 우수하여 까다로운 응용 분야에 적합합니다.
코발트 크롬 합금 분말 는 의료용 임플란트 및 툴링에 적합한 높은 강성, 생체 적합성 및 내마모성을 자랑합니다.
공구강 H13, D2 및 마레이징 스틸을 포함한 강재는 사출 금형이나 단조 금형과 같은 툴링에 매우 높은 경도, 강도 및 열 안정성을 제공합니다.
연구개발 노력으로 적층 제조 공정과 호환되는 금속의 범위가 확대되고 있습니다. 귀금속이나 백금과 같은 이색 합금도 보석이나 전자제품과 같은 특수 용도로 채택되고 있습니다.
금속 적층 제조 사양
금속 3D 프린팅 장비의 기능을 정의하는 핵심 요소는 제작 용적, 레이어 해상도, 정밀도 및 지원되는 재료입니다. 정확도, 표면 마감 및 열처리와 같은 요구 사항은 특정 애플리케이션에 따라 달라집니다.
표 3: 금속 3D 프린팅 장비 사양 및 기능
| 매개변수 | 일반 사양 |
|---|---|
| 볼륨 구축 | 50-500mm x 50-500mm x 50-500mm |
| 레이어 두께 | 20-100 미크론 |
| 정밀도 | PBF의 경우 ±0.1-0.2mm, DED의 경우 ±0.5mm |
| 표면 마감 | Ra 10-25 미크론, Rz 20-100 미크론 |
| 재료 | 스테인리스강, 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 공구강, 니켈 합금 |
| 프로세스 환경 | 진공 또는 불활성 아르곤 분위기 |
| 필요한 지원 | 예, 후처리 제거 |
| 열처리 | 스트레스 완화, 용액 어닐링, 에이징 |
빌드 볼륨 대부분의 파우더 베드 및 지향성 에너지 시스템의 경우 몇 입방인치에서 최대 약 1입방피트까지 다양합니다. 바인더 분사 또는 시트 라미네이션 공정에는 더 큰 장비를 사용할 수 있습니다.
레이어 두께 을 20~100미크론까지 다양하게 조절할 수 있어 기계공이 마감할 때 미세한 해상도를 구현할 수 있습니다. 레이어가 얇을수록 표면 마감은 향상되지만 빌드 시간도 늘어납니다.
정밀도 달성 가능 범위는 사용되는 특정 AM 장비에 따라 분말 베드 용융의 경우 ±0.1-0.2mm, 지향성 에너지 증착의 경우 ±0.5mm입니다.
달성 가능 표면 마감 준공 상태에서는 10-25미크론(Ra) 및 20-100미크론(Rz) 범위이지만 이를 개선하려면 연마 마감과 같은 후처리가 필요합니다.
거의 모든 금속 합금 스테인리스 스틸 에 티타늄 및 니켈 합금 인쇄할 수 있으며, 최근 몇 년 동안 소재 선택의 폭이 두 배로 늘어났습니다.
금속 적층 제조 장비 공급업체
다양한 업체에서 산업용 금속 3D 프린팅 시스템과 프린팅 서비스를 제공합니다. 파우더 베드 융착, 지향성 에너지 증착, 바인더 분사 및 시트 적층 장비를 제공하는 주요 공급업체는 다음과 같습니다:
표 4: 금속 적층 제조 시스템의 주요 공급업체
| 회사 | AM 프로세스 | 금속 | 볼륨 구축 | 비용 범위 |
|---|---|---|---|---|
| EOS | 파우더 베드 융합(DMLS) | Al, Ti, Ni 합금 | 250x250x325mm | $150,000-$1,000,000 |
| SLM 솔루션 | 파우더 베드 융합(SLM) | Al, Ti, 공구강 | 250x250x300mm | $200,000-$1,000,000 |
| HP | 바인더 분사 | 스테인리스 스틸 | 380 x 285 x 380mm | $100,000-$500,000 |
| 데스크탑 메탈 | 바인더 분사 | 스테인리스 스틸, 합금강 | 160 x 160 x 250mm | $100,000-$500,000 |
| 스키아키 | 직접 에너지 증착 | Ti, 인코넬, 스테인리스 | 1500 x 750 x 750mm | $500,000-$2,500,000 |
| 옵토멕 | 직접 에너지 증착 | Al, Ti, CoCr | 610 x 610 x 610 mm | $250,000-$750,000 |
| 패브리소닉 | 초음파 AM | Al, 강철, Ti | 600 x 900 x 600mm | $250,000-$500,000 |
독일 기업 EOS 는 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 기술을 개척했으며 티타늄, 알루미늄 및 니켈 합금과 같은 금속을 위한 다양한 산업용 프린터를 제공합니다.
SLM 솔루션 는 최대 500입방인치의 제작 부피로 강철, 티타늄, 알루미늄 등의 금속을 가공할 수 있는 분말 베드 용융 장비도 제공합니다.
HP, 데스크탑 메탈, 및 ExOne 작고 복잡한 스테인리스 스틸 또는 합금강 부품의 대량 생산에 초점을 맞춘 바인더 제팅을 활용합니다.
스키아키 및 옵토멕 티타늄, 알루미늄 및 니켈 초합금을 사용하는 대규모 금속 프린팅을 위한 지향성 에너지 증착 시스템을 공급합니다.
패브리소닉 는 금속 부품 내부에 배선, 센서 등을 내장할 수 있는 특허받은 초음파 적층 제조 기술을 사용합니다.
금속 적층 제조 장비는 일반적으로 생산 능력에 따라 초기 자본 투자 비용이 100만 달러에서 100만 달러 이상이지만, 가격이 빠르게 하락하고 있습니다. 재료 비용은 사용되는 특정 합금에 따라 크게 달라집니다.
금속 적층 제조 응용 분야
금속 적층 제조는 항공우주, 의료, 자동차 및 일반 산업 분야에 적합한 새로운 설계의 자유와 기능을 제공합니다:
항공우주: 경량 브래킷 및 복잡한 구조, 컨포멀 냉각 기능이 있는 엔진 구성 요소, 부품 통합으로 무게, 재료 사용량 및 리드 타임 감소
의료: 맞춤형 정형외과 임플란트, 뼈와의 골유착을 개선하기 위한 얇은 벽과 격자 구조의 수술 기구, 치과 수복물.
자동차: 경량 격자 구조, 구성 요소의 대량 맞춤화, 공장 워크플로우 개선을 위한 지그 및 픽스처와 같은 툴링
산업/소비자: 유기적 형태, 대량 맞춤화 및 경량 격자 구조를 활용한 조명, 가구, 스포츠용품, 악기류
툴링: 컨포멀 냉각 채널을 사출 금형, 금형 및 툴링 인서트에 내장하여 사이클 시간을 단축할 수 있습니다. 예비 툴링 부품의 신속한 처리.
석유 및 가스: 고압/부식성 환경을 위한 맞춤형 파이프라인 피팅, 리그 및 밸브 블록과 같은 구조적 구성 요소.
또한 이 기술은 다양한 산업 분야의 제품 개발에서 신속한 툴링, 고정 장치 및 프로토타입 제작에 사용됩니다. 다음은 기존 제조 방식과 비교한 금속 3D 프린팅의 적용 사례와 장점에 대한 몇 가지 예시입니다:
표 5: 금속 적층 제조 응용 분야 및 이점
| 애플리케이션 | 기존 프로세스 대비 이점 |
|---|---|
| 항공기 브래킷 | 경량화, 부품 통합 |
| 고관절 임플란트 | 맞춤형 모양, 디자인 반복 가속화 |
| 열교환기 | 복잡한 내부 채널로 열 전달 개선 |
| 사출 금형 | 사이클 시간 단축을 위한 컨포멀 냉각 |
| 자동차 부품 | 대량 사용자 지정, 경량 최적화 |
적층 가공을 통해 엔지니어는 주조, 가공 또는 기타 기존 제조 기술로는 불가능하거나 경제성이 떨어지는 금속 부품을 제작할 수 있는 전례 없는 설계의 자유를 누릴 수 있습니다.
금속 적층 제조의 장단점
적층 가공 및 기타 기존 금속 제조 방식에 비해 적층 가공은 몇 가지 주요 이점을 제공하지만 고려해야 할 한계도 있습니다:
표 6: 금속 적층 제조 - 장점과 단점
| 장점 | 단점 |
|---|---|
| 자유로운 디자인, 복잡한 형상 | 작은 빌드 볼륨으로 부품 크기 제한 |
| 무게 감소, 자재 절감 | 단조 금속보다 낮은 재료 특성 |
| 리드 타임, 툴링 비용 절감 | 낮은 치수 정확도 및 표면 마감 |
| 통합 어셈블리, 임베디드 기능 | 더 높은 장비 비용, 재료비 |
| 대량 맞춤화, 온디맨드 생산 | 후처리가 필요한 경우가 많습니다. |
| 재료 낭비 최소화 | 제한된 크기 및 합금 가용성 |
| 신속한 프로토타이핑, 개발 가속화 | 일부 인쇄물의 이방성 특성 |
금속 적층 제조의 주요 이점은 다음과 같습니다. 디자인의 자유, 부품 통합, 사용자 지정및 더 빠른 제품 개발 주기를 단축할 수 있습니다. 항공우주 및 자동차와 같은 산업에서도 경량화 및 재료 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
하지만 규모가 작을수록 볼륨 빌드, 더 높음 비용가 부족하고 재료 상업적 규모의 가용성은 기존 제조 방식에 비해 여전히 장벽으로 남아 있습니다. 대부분의 금속 3D 프린팅 응용 분야는 맞춤화 및 리드 타임 단축의 이점이 오늘날 높은 프린트 부품 비용보다 더 큰 중저가 생산량에 가장 적합합니다.
금속 3D 프린팅 장비와 재료 가격이 하락함에 따라 더 많은 산업 분야에서 생산량과 응용 분야가 계속 확대될 것입니다. 품질이 향상되고 빌드 크기가 커짐에 따라 대량 제조를 위한 도입이 가속화될 것입니다.
금속 적층 제조의 미래
아직은 신흥 기술이지만 금속 적층 제조는 향후 몇 년 동안 크게 성장할 것으로 예상됩니다. 애플리케이션 확대, 새로운 플레이어, 공급망 전반의 채택 증가가 시장 확대를 견인할 것입니다.
- 전 세계 금속 적층 제조 시장은 2028년까지 1조 4천 150억 달러를 돌파하여 2021년 대비 두 배 이상 성장할 것으로 예상됩니다. 항공우주 및 의료 부문이 50% 이상의 수요를 차지할 것으로 예상됩니다.
- 시스템 제조업체는 연속 생산 애플리케이션에 초점을 맞춘 대형 제작 장비, 멀티 레이저 및 더 높은 생산성 장비를 개발하고 있습니다.
- 니켈 초합금 외에도 고강도 알루미늄과 강철, 귀금속, 마그네슘, 공구강 등 다양한 소재를 사용할 수 있게 되었습니다.
- 시행착오를 최소화하는 고급 기계 제어, 소프트웨어, 간소화된 워크플로우를 통해 품질과 반복성이 지속적으로 개선되고 있습니다.
- 리드 타임이 단축되고 최종 사용 부품에 대해 단순한 프로토타입 제작보다 비용 효율성이 높아지면서 AM을 통한 공급망 최적화가 산업 전반에서 주목받고 있습니다.
- 맞춤형 분산형 제조는 공급망 위험과 물류 비용을 줄일 수 있습니다. 온디맨드 현지화 생산이 증가할 것입니다.
- 각국 정부는 산업용 금속 3D 프린팅 연구, 인력 개발 프로그램, 기술 관련 지역 제조 생태계 발전에 상당한 투자를 하고 있습니다.
금속 적층 제조는 아직 성숙 단계에 있지만 항공우주 엔진부터 환자 맞춤형 임플란트에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 기존 제조 방식에 비해 확실한 이점을 입증했습니다. 공급망 전반에서 더 많은 이해관계자가 적층 제조를 도입함에 따라 제조를 혁신하고 새로운 디자인 혁신의 시대를 열 수 있는 입지를 다지고 있습니다.
금속 AM 자주 묻는 질문
Q: 금속 3D 프린팅과 호환되는 소재에는 어떤 것이 있나요?
A: 스테인리스강, 알루미늄 합금, 티타늄, 공구강, 니켈 초합금 등 대부분의 산업용 금속을 인쇄할 수 있습니다. 일부 공정은 금, 은, 백금과 같은 귀금속도 지원합니다.
Q: 금속 적층 제조의 정확도는 어느 정도인가요?
A: 대부분의 파우더 베드 용융 공정의 치수 정확도는 약 ±0.1-0.2mm로, CNC 가공과 유사합니다. 지향성 에너지 증착은 ±0.5mm 이상입니다.
Q: 금속 AM에는 후처리가 필요합니까?
A: 일반적으로 표면 마감 및 열처리와 같은 일부 후처리가 필요합니다. 지지 구조물을 제거하고 표면을 기계 가공, 샌딩 또는 화학 처리하여 부품을 매끄럽게 마감합니다.
Q: 주조나 기계 가공에 비해 금속 AM의 장점은 무엇인가요?
A: 설계의 자유, 구조 경량화, 부품 통합, 툴링 감소, 리드 타임 단축, 대량 맞춤화 등의 이점이 있습니다. 적층 가공은 감산 기술로는 불가능한 최적화된 형상을 구현할 수 있습니다.
Q: 금속 3D 프린팅의 도입을 주도하는 산업 분야는 무엇인가요?
A: 항공우주, 의료/치과, 자동차, 산업 분야는 오늘날 가장 많이 채택하고 있는 분야입니다. 이 기술은 맞춤형 제작과 경량화가 이점이 있는 복잡한 소량 생산에 이상적입니다.
Q: 금속 적층 제조는 기존 제조 방식에 비해 얼마나 비쌉니까?
A: 프린트된 금속 부품은 대량 생산 시 여전히 더 비쌉니다. 1000개 미만의 소규모 배치 크기의 경우 적층 제조는 비용 경쟁력을 갖추고 설계 유연성, 출시 기간 단축, 부품 통합 및 맞춤화의 이점을 통해 이를 상쇄할 수 있습니다.
