개요
금속 분말 3D 프린터 레이저 또는 전자 빔을 사용하여 금속 분말을 선택적으로 녹여 단단한 3D 물체로 융합합니다. 이 적층 제조 기술을 사용하면 복잡한 형상과 가벼운 부품을 3D CAD 데이터에서 직접 만들 수 있습니다.
CNC 가공과 같은 기존의 감산 방식에 비해 금속 3D 프린팅은 공구 접근의 일반적인 제약이나 조립 시 많은 부품 수 없이도 복잡한 디자인을 제작할 수 있습니다. 항공우주, 자동차, 의료 및 일반 산업 분야에서 경량 부품을 자유롭게 설계하고 출시 기간을 단축할 수 있습니다.
그러나 이 공정은 대량 요구 사항에 따라 부품당 속도가 느려지고 비용이 더 많이 들 수 있습니다. 원하는 기계적 특성을 가진 조밀하고 공극이 없는 부품을 제작하려면 여러 프린팅 파라미터와 후처리 단계를 최적화해야 합니다.
종류 금속 분말 3D 프린터
금속 분말 베드 용융에는 직접 금속 레이저 소결(DMLS)과 전자빔 용융(EBM)이라는 두 가지 주요 기술이 사용됩니다. 주요 차이점은 열원, 대기 조건, 파우더 옵션 및 응용 분야에 있습니다:
| 매개변수 | DMLS | EBM |
|---|---|---|
| 열원 | 파이버 레이저 | 전자빔 |
| 분위기 | 불활성 아르곤 | 진공 |
| 재료 | Al, Ti, Ni 합금, 공구강 | 티타늄 합금, 일부 니켈 합금 |
| 해상도 | 최대 0.3mm의 더 높고 얇은 벽면 | 보통, 최소 벽 0.8mm |
| 정확도 | 20~50미크론 디테일의 ± 0.1~0.2% | 50-200미크론 디테일의 ± 0.2% |
| 표면 마감 | 인쇄된 그대로의 매끄러운 표면 | 비교적 거친 표면 |
| 속도 | 적당한 빌드 속도 | 매우 빠른 빌드 속도 |
| 애플리케이션 | 치과, 의료, 항공우주 부품 | 정형외과 임플란트, 항공우주 구조물 |
DMLS 프린터 갈보 스캐너 또는 거울로 정밀하게 제어되는 고출력 파이버 레이저를 사용하여 불활성 아르곤 분위기에서 금속 분말의 미세한 층을 선택적으로 녹입니다. 세밀한 디테일이 있는 복잡하고 섬세한 구조물을 높은 정확도와 매끄러운 표면 마감으로 제작할 수 있습니다.
인기 있는 DMLS 시스템으로는 EOS M 시리즈, GE 애디티브 컨셉 레이저 기계, Renishaw RenAM 500 쿼드 레이저 프린터, 오픈 소스 Lulzbot TAZ Pro가 있습니다.
EBM 프린터 는 전자 빔을 고강도 열원으로 사용하여 진공 상태에서 금속 분말 층을 완전히 녹입니다. 빠른 스캐닝 빔으로 제작 속도는 매우 빠르지만 해상도는 약 100미크론으로 더 떨어집니다.
EBM은 뼈 임플란트로 사용되는 다공성 구조물을 효율적으로 프린트할 수 있습니다. 선도적인 EBM 시스템은 현재 GE Additive의 브랜드인 ARCAM에서 제조하며, Arcam EBM Spectra H, Q10plus 및 Q20plus 프린터를 제작합니다.
금속 분말 재료
대부분의 상용 파우더 베드 3D 프린팅용 금속 분말은 다음 사양을 충족합니다:
| 매개변수 | 일반적인 범위 |
|---|---|
| 입자 크기 | 10 - 45 미크론 |
| 유동성 | 레이어 증착에 적합 |
| 순도 | >99.5% |
| 모양 | 구형, 위성, 불규칙형 |
| 겉보기 밀도 | 60-80%의 고체 밀도 |
| 탭 밀도 | 다짐 후 고체 밀도 최대 98% |
일반적인 합금 티타늄, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 니켈 초합금, 코발트 크롬이 사용됩니다. 대부분은 적층 제조 공정에 맞게 맞춤 제작되며 반복적인 재활용을 통해 최적화됩니다.
5등급 티타늄 Ti6Al4V는 무게 대비 강도와 생체 적합성으로 인기가 높습니다. 알루미늄 AlSi10Mg 합금과 마레이징 스틸 부품은 강도가 높습니다. 코발트 크롬은 치과용 및 의료용 임플란트에 광범위하게 사용됩니다.
인코넬 718 및 625와 같은 니켈 초합금은 고온에서 뛰어난 내열성 및 내식성을 제공합니다. 공구강은 인쇄 후 60 HRC까지 경화하여 내마모성을 극대화할 수 있습니다.
알루미늄-마그네슘-스칸듐, 구리-니켈-주석, 금, 백금, 은과 같은 귀금속 등 기술이 확장됨에 따라 이색적인 금속 분말이 인쇄되고 있습니다.
인쇄 프로세스
DMLS와 EBM은 하드웨어는 다르지만 일반적인 금속 분말 베드 융합 단계는 동일합니다:
- AM 설계 원칙을 고려한 3D CAD 모델 설계
- 슬라이싱 소프트웨어를 통해 처리된 STL 파일
- 분말 증착 메커니즘으로 측정된 층을 확산
- 레이저 또는 전자빔이 파일에 따라 슬라이스 패턴을 스캔합니다.
- 베이스 플레이트에 전체 오브젝트가 만들어질 때까지 프로세스가 반복됩니다.
- 과도한 파우더가 부품을 지지하고 스트레스를 흡수합니다.
- 프린터는 여과 후 재사용을 위해 녹지 않은 분말을 회수합니다.
- 완성된 3D 프린팅 빌드를 기계에서 제거
금속의 경우 다음과 같습니다. 후처리 는 부품을 서비스하기 전에 매우 중요합니다:
- 절단, 폭파 또는 화학적 용해를 통한 제거 지원
- 내부 공극을 제거하기 위한 열간 등방압 프레싱
- 미세 구조 변경을 위한 열처리
- 표면 마감 - 비드 블라스팅, 연마, 폴리싱
- 공차 요구 사항을 충족하는 정밀 가공
- 애플리케이션별 품질 검사 - 치수 정확도, 밀도, 기계적 특성, 미세 구조, 표면 결함
3D 프린팅 금속은 다음과 같은 이유로 주요 응용 분야를 열어줍니다:
디자인 복잡성 - 복잡한 냉각 채널, 격자, 생체 공학 형태
사용자 지정 - 환자별 임플란트, 맞춤형 합금
무게 감소 - 더 가벼운 항공 및 자동차 부품
부품 통합 - 하나의 부품으로 인쇄된 통합 어셈블리
신속한 프로토타이핑 - 더 빠른 디자인 반복
금속 3D 프린팅의 장단점
| 장점 | 단점 |
|---|---|
| 복잡하고 유기적인 모양을 위한 자유로운 디자인 | 상대적으로 느린 빌드 속도 |
| 질량 분포 최적화를 통한 경량화 | 프린터 모델에 따른 부품 크기 제한 사항 |
| 제품 출시 기간 단축 | 현재 생산에 필요한 고가의 기술 |
| 사용자 지정 및 개인화 | 광범위한 후처리 작업 필요 |
| 높은 강도와 경도 달성 가능 | 이방성 머티리얼 속성 |
| 복잡한 격자 및 폼 구조 | AM 원칙에 맞게 설계해야 함 |
구매자 가이드 금속 파우더 베드 3D 프린터
산업 제조에 가장 적합한 금속 분말 베드 융합 3D 프린팅 시스템을 선택하는 것은 다음과 같은 요소에 따라 달라집니다:
1) 봉투를 만듭니다: 최대 부품 치수 - 100-500mm 큐브의 인기 크기
2) 레이저/전자빔: 50W~5kW의 전력 등급, 더 높은 전력으로 더 빠른 빌드 가능
3) 자료: 비용, 기계적 요구 사항, 사후 처리의 용이성, 인증 수준
4) 정확도/표면 마감: 달성 가능한 치수 정밀도 및 공차, 목표 거칠기
5) 자동화: 분말 처리 시스템, 체질, 재활용 및 제어 소프트웨어
6) 가격: 장비 비용: 최소 100만 원에서 최대 100만 원 이상, 운영 비용 고려
7) 리드 타임 + 서비스: 공급업체의 설치 일정, 애플리케이션 전문 지식 활용
| 사양 | 초보자 | 전문적인 | 산업 |
|---|---|---|---|
| 볼륨 구축 | 5 x 5 x 5인치 | 10 x 10 x 12인치 | 750 x 380 x 380 mm |
| 레이저 파워 | 100-200 W | 400-500 W | 1 kW |
| 레이어 높이 | 20-50 μm | 20-30 μm | 20-50 μm |
| 재료 | 스테인리스 스틸 | ~10개의 금속 옵션 | 티타늄, 알루미늄, 니켈 합금 등 |
| 정확도 | ± 0.5-1mm | ± 0.1-0.2mm | ± 0.075-0.2mm |
| 표면 거칠기 | 15μm Ra | 7-10 μm | 5-15 μm |
| 자동화 | 수동 분말 처리 | 자동화된 파우더 제거 | 폐쇄 루프 분말 처리 |
| 가격 범위 | $100-250K | $300-750K | $1백만 이상 |
금속 3D 프린팅의 응용 분야
항공우주
- 경량 항공 구조물 및 부품 - 티타늄 및 알루미늄 합금
- 하나의 인쇄 부품으로 통합된 통합 어셈블리
- 컨포멀 냉각 채널이 있는 복잡한 엔진 섹션
- 디자인 검증을 위한 빠른 프로토타입
의료 기기
- 맞춤형 두개골, 척추 및 정형외과용 임플란트 - 티타늄 및 코발트 크롬
- 수술 계획 및 가이드를 위한 바이오 모델
- 환자 맞춤형 임플란트 및 기기
자동차
- 알루미늄 및 강철 소재의 경량 섀시 및 구조 부품
- 맞춤형 자동차 부품
- 복잡한 부품 통합 - 냉각 기능이 있는 엔진 블록
산업 제조
- 컴포넌트 경량화 및 구조 최적화
- 기능 향상을 위한 부품 통합
- 리드 타임이 단축되는 온디맨드 예비 부품
- 컨포멀 냉각 기능이 있는 금속 사출 성형 툴링 인서트
금속 분말 베드 3D 프린터 공급업체
| 제조업체 | 모델 | 설명 |
|---|---|---|
| GE 애디티브 | 컨셉 레이저 M2, Mlab, Xline 2000R | 컨셉 레이저에서 인수한 레이저 파우더 베드 프린터 |
| 3D Systems | DMP Flex 350, Factory 500 | 듀얼 레이저를 사용한 금속용 레이저 용융 프린터 |
| 레니쇼 | RenAM 500M | 쿼드 레이저 구성의 모듈형 레이저 시스템 |
| SLM 솔루션 | SLM 280 2.0, SLM 500 HL | 파우더 베드 용융의 선구자, 선택적 레이저 용융기 |
| 트럼프 | TruPrint 3000 | 독일산 자동 레이저 금속 3D 프린터 시리즈 |
| 합산 | FormUp 350 | 항공 우주 분야를 겨냥한 모듈식 이중 레이저 프린터 |
| 시스마 | 시스마 MYSINT100 | 저비용 입문용 금속 레이저 용융 시스템 |
| 적층 가공 산업 | MetalFAB1 | 양산용 고생산성 금속 3D 프린팅 시스템 |
| OR 레이저 / 마츠우라 | 루멕스 아방스-25 | 하이브리드 서브스트럭티브 + 레이저 메탈 3D 프린터 |
| 마작 | INTEGREX i-AM | 밀링 기능이 있는 일체형 하이브리드 금속 3D 프린터 |
| DMG 모리 | Lasertec 12 SLM | 파우더 노즐 + 레이저 금속 3D 프린터 + 5축 밀링 |
| ARCAM / GE 애디티브 | Arcam Q20플러스 | 정형외과 임플란트용 EBM 기술 프린터 |
| Velo3D | 사파이어 | 지원 로우 앵글 기능을 위한 무료 메탈 프린터 |
| 데스크탑 메탈 | 생산 시스템 | 금속 3D 프린팅을 위한 바인더 제팅 + 신터링 워크플로 |
| 마크포지드 | 메탈 X | 작업장에 적합한 합리적인 가격의 바운드 메탈 증착 프린터 |
| 티어타임 | UP300M | '중국산' 레이저 파우더 베드 융합 기계 |
| 파순 | FS721M | 산업용 등급 금속 분말 베드 시스템 |
| 3DGence | 더블 P255 | 레이저 및 EBM 금속 프린터 콤보 하이브리드 시스템 |
| Aidro | 하이드림 M3 | 유압에 중점을 둔 멀티 레이저 금속 프린터 |
| 오로라 랩스 | RMP-1 | 높은 처리량을 목표로 하는 멀티 레이저 프린터 |
3D 프린팅용 금속 분말 - 공급업체
| 회사 | 제품 | 설명 |
|---|---|---|
| AP&C | 티타늄, 니켈, 코발트 합금 | 항공우주 및 의료용 분말 |
| 목수 첨가제 | 17-4PH, 316L, 코발트 크롬, 인코넬 | 광범위한 3D 프린팅 합금 포트폴리오 |
| 샌드빅 오스프리 | Ti6Al4V, 스테인리스강, 니켈 합금 | 적층 제조용 맞춤형 구형 분말 |
| 프렉스에어 | 티타늄, 니켈, 공구강 합금 | 고순도 반응성 및 내화성 금속 |
| LPW 기술 | 알루미늄 합금 분말 | 알루미늄 소재 전문가 |
| 회가나스 | 스테인리스강, 연자성 합금 | 분무에 의한 금속 분말의 모양 만들기 |
| EOS | EOS 마레이징스틸 MS1, 스테인리스스틸 316L | 시스템 OEM의 재료 및 매개변수 |
비용 분석
대부분의 적층 기술과 마찬가지로, 금속 분말 베드 융합은 현재 기존의 대량 생산 방식에 비해 개별 부품 생산 비용이 더 많이 듭니다.
하지만 다음을 제공합니다. 부품 통합, 경량화를 통한 비용 절감, 및 시장 출시 기간 단축 제품 개발 중입니다.
| 비용 요소 | 상대적 크기 |
|---|---|
| 금속 분말 재료 비용 | $100-$500/kg |
| 프린터 장비 상각 비용 | ~$50/빌드 시간 |
| 전처리를 위한 노동력 | 20개 부품당 ~2~5시간 |
| 사후 처리 작업 | 재료비의 5배 - 10배 |
| 현재 총 부품 비용 | kg당 $100-$2000 |
| CNC 가공 부품 비용 | kg당 $50-$500 |
| 향후 생산 부품 비용 | kg당 ~$20-50 |
자동화, 더 빠른 제작 속도 및 배치 생산에 대한 지속적인 개발로 금속 AM 부품 비용은 고부가가치 산업에서 기계 가공 부품과 가격 경쟁력을 갖추게 될 것으로 예상됩니다.
향후 전망
금속 분말 베드 용융은 기존 제조 제약의 한계를 뛰어넘는 중소형 부품에 계속 채택될 것입니다.
금속 분말 3D 프린팅의 지속적인 트렌드는 다음과 같습니다:
- 500mm 큐브 이상의 대형 빌드 엔벨로프
- 구리, 금, 알루미늄과 같은 검증된 추가 합금
- 향상된 소재 특성 및 표면 마감
- 최대 10m/s의 빠른 레이저 스캔으로 더 많은 양을 처리할 수 있습니다.
- 여러 머신에서 반복 가능한 기계적 성능 향상
- 단일 시스템에서 재료 등급 범위 확장
- 향상된 파우더 처리 및 폐쇄형 루프 프로세싱
- 가공이 통합된 추가 하이브리드 시스템
- 고품질 인라인 모니터링 및 계측
- 산업별 프린터 변형 및 프로세스 매개변수
- 대량 생산을 위한 추가 고생산성 시스템
적층 가공 기술이 확산되고 복잡성에도 불구하고 비용 경쟁력이 높아짐에 따라 적층 가공은 여러 분야의 제조업을 혁신하여 최종 사용 금속 부품을 온디맨드 방식으로 대량 맞춤화할 수 있게 될 것입니다.
자주 묻는 질문
Q: 얼마나 비쌉니까? 금속 분말 3D 프린터 및 관련 운영 비용?
A: 산업용 금속 프린팅 시스템은 $100,000에서 $1M+까지 다양합니다. AM 공정 중 운영 비용이 가장 높은데, 파우더 재료, 불활성 대기 및 마감 처리가 지출의 대부분을 차지합니다.
Q: 현재 3D 프린팅이 가능한 금속 부품의 크기는 어느 정도인가요?
A: 최대 500 x 500 x 500mm의 치수가 가능하지만, 한 면당 300mm가 평균입니다. 많은 산업용 부품이 이 범위에 속합니다. 길이가 1미터가 넘는 대형 시스템도 존재합니다.
Q: 기존 강철과 티타늄을 넘어 AM을 위해 개발 중인 첨단 금속 소재에는 어떤 것이 있나요?
A: 금속 적층 제조 기술은 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨과 같은 내화성 금속과 금, 은, 백금 합금 등 보석류에 사용되는 귀금속으로 확대되고 있습니다.
Q: 금속 파우더 베드 3D 프린터의 정확도와 표면 마감은 어느 정도인가요?
A: 후처리 후 치수 정확도는 약 ±0.1-0.3%이며 허용 오차는 ±0.05mm입니다. 수직 표면은 처음에 5-15미크론의 표면 거칠기를 나타냅니다. 표면 품질을 높이려면 추가적인 밀링/연마 작업이 필요합니다.
Q: 금속 파우더 프린트를 최대 밀도로 소결할 때 어떤 온도와 압력을 사용하나요?
A: 합금에 따라 다르지만 일반적인 HIP 및 소결 파라미터는 다음과 같습니다: 1100-1300°C 온도에서 100-200MPa로 2-4시간 동안 소결하여 99% 이상의 고체 금속 밀도를 달성합니다. SLM 부품은 99.9%의 견고성에 도달했습니다.
Q: 대량 생산에 가장 빠른 금속 3D 프린팅 공정은 무엇인가요?
A: 제작 속도 측면에서 전자빔 용융(EBM) 시스템은 레이저 기반 공정보다 4배 이상 빠른 속도로 부품을 제작할 수 있어 금속 부품 제조에 유리합니다. 레이저 시스템이 이를 따라잡기 위해 노력하고 있습니다.
Q: 금속 파우더 베드 3D 프린팅은 등방성 또는 이방성 소재 부품을 생산하나요?
A: 용융된 파우더와 주변 영역 사이의 극심한 열 구배로 인해 파우더 베드로 만든 금속은 일반적으로 수평 인장 수치가 수직 인장 수치와 최대 30%까지 차이가 나는 이방성 특성을 나타냅니다.
Q: DMLS 및 EBM 금속 인쇄 부품에 열처리가 필요합니까?
A: 예, 열처리는 층별 구조에서 발생하는 내부 응력을 완화하고 합금을 경도, 연성 등과 관련하여 목표 기계적 사양에 맞추기 위해 필요합니다.
Q: 파우더 베드 금속 3D 프린팅은 기존 금속 제조에 비해 얼마나 지속 가능한가요?
A: 적층 제조 시스템은 제작 과정에서 90% 이상의 금속 파우더를 재사용합니다. 또한 프린트된 부품은 가볍고 최적화된 설계로 인해 기본 재료의 무게가 25~50% 감소하므로 지속 가능성 측면에서 상당한 이점이 있습니다.
