금속 분말 분말은 파우더 베드 융용 기술을 사용하는 적층 제조의 핵심 원료입니다. 이 가이드에서는 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)과 같은 3D 프린팅 공정에 사용되는 다양한 금속 분말에 대한 개요를 제공합니다.
적층 제조용 금속 분말 소개
금속 분말을 사용하면 적층 제조를 사용하여 복잡한 고성능 금속 부품을 프린팅할 수 있습니다.
사용된 재료:
- 스테인리스 스틸
- 공구강
- 코발트-크롬 합금
- 티타늄 및 티타늄 합금
- 알루미늄 합금
- 니켈 초합금
- 구리 합금
주요 파우더 속성:
- 화학 - 순도 및 구성
- 입자 모양 및 형태
- 입자 크기 분포
- 겉보기 밀도 및 탭 밀도
- 유동성
- 파우더 재사용
파우더 생산 방법:
- 가스 분무
- 물 분무
- 플라즈마 분무
- 전극 유도 용융
- 카보닐 공정
- 기계적 합금
스테인리스 스틸 파우더
스테인리스 스틸 파우더는 일반적으로 부식 방지 부품을 인쇄하는 데 사용됩니다:
합금 유형:
- 316L, 304L과 같은 오스테나이트강
- 17-4PH와 같은 마르텐사이트강
- 2205와 같은 듀플렉스 스틸
- 17-4PH, 15-5PH와 같은 강수량 강화
특성:
- 높은 내식성 및 내산화성
- 우수한 강도와 연성
- 고합금강에 비해 균열 발생이 적습니다.
- 빌드 분위기와 같은 중요한 파라미터
애플리케이션:
- 화학 및 공정 산업 부품
- 해양 부품
- 의료용 임플란트 및 장치
- 위생이 요구되는 식품/제약 산업 부품
공급업체: 카펜터, 샌드빅, 프렉스에어, 회가나스, LPW 기술
공구강 분말
H13과 같은 공구강은 마모 및 고경도 부품을 인쇄하는 데 이상적입니다:
합금 유형:
- S7과 같은 내충격성 강철
- D2와 같은 냉간 가공강
- H13, H11과 같은 열간 가공용 강재
- M2와 같은 고속 강재
특성:
- 최대 60 HRC의 뛰어난 경도
- 높은 내마모성
- 우수한 인성 및 열 피로 저항성
- 고온 용액 어닐링 필요
애플리케이션:
- 금속 성형 금형 및 금형
- 절단 도구 및 드릴 비트
- 마모 부품 및 베어링
- 고온 툴링
공급업체: 샌드빅, 에라스틸, LPW 테크놀로지, 텍나 플라즈마 시스템즈
코발트-크롬 합금
코발트 크롬 파우더는 생체 적합성 임플란트 및 치과 수복물을 인쇄합니다:
합금 유형:
- Co-28Cr-6Mo와 같은 CoCrMo
- Co-35Ni-20Cr-10Mo와 같은 CoNiCrMo
- Co-67Cr-28Fe와 같은 CoCr
특성:
- 뛰어난 생체 적합성 및 내식성
- 높은 강도와 경도
- 관절 관절을 위한 내마모성
- 까다로운 인쇄성 및 갈라짐 경향
애플리케이션:
- 치과용 코핑, 브릿지 및 크라운
- 정형외과용 무릎 및 고관절 임플란트
- 두개골 플레이트와 같은 고정 장치
- 척추 융합 하드웨어
공급업체: SLM 솔루션, 카펜터, Arcam EBM
티타늄 분말
티타늄 분말은 강력하고 가벼운 프린트 부품을 만듭니다:
합금 유형:
- Ti 1-4 등급과 같은 비합금 티타늄
- Ti-6Al-4V 합금
- Ti-6Al-7Nb 합금
- 기타 알파 + 베타 합금
특성:
- 높은 중량 대비 강도 비율
- 뛰어난 내식성
- 우수한 고온 특성
- 저밀도 - 4.5g/cc
- 반응성이 있으며 불활성 대기가 필요합니다.
애플리케이션:
- 항공우주 및 모터스포츠 부품
- 의료용 임플란트 및 보철물
- 식품/화학 산업 부품
- 자동차 부품
공급업체: AP&C, Tekna, 목수 첨가제
알루미늄 합금
알루미늄 파우더는 경량 구조 또는 기능 부품을 프린트합니다:
합금 유형:
- AlSi10Mg
- AlSi7Mg
- AlSi12
- 스칼말로이® 및 기타 Al 합금
특성:
- 저밀도 - 2.7g/cc
- 우수한 강도와 강성
- 뛰어난 열 전도성
- 균열 및 잔류 응력이 발생하기 쉬움
애플리케이션:
- 자동차 및 모터스포츠 부품
- 항공우주 및 우주 애플리케이션
- 열교환기
- 깁스와 같은 의료 장비
공급업체: AP&C, 샌드빅, LPW 테크놀로지, ECKA 과립
니켈 초합금
인코넬 718과 같은 니켈 초합금은 고온 부품을 인쇄합니다:
합금 유형:
- 인코넬 718
- 인코넬 625
- 말벌
- 하스텔로이 X
특성:
- 뛰어난 고온 강도
- 우수한 내식성 및 크리프 저항성
- 높은 온도에서 스트레스를 받으며 작업할 수 있는 능력
- 처리하기 어렵고 깨지기 쉬운 데이터
애플리케이션:
- 터빈 블레이드
- 연소실 부품
- 우주선 구성 요소
- 원자력/화학 산업 부품
공급업체: 프렉스에어, 카펜터 첨가제, GE 첨가제
구리 합금
CuCrZr과 같은 구리 합금은 전도성이 높은 부품을 인쇄합니다:
합금 유형:
- 구리-크롬(예: CuCr1Zr)
- 구리-니켈(예: CuNi2SiCr)
- CuSn10과 같은 청동
특성:
- 뛰어난 열 및 전기 전도성
- 우수한 내식성
- 항균성
- 강철 및 Ni 합금보다 낮은 강도
애플리케이션:
- 버스바와 같은 전기 부품
- 열교환기 및 방열판
- 도파관 및 RF 부품
- 의료 기기 및 고정 장치
공급업체: 샌드빅, LPW 기술, 메탈리시스
기술 사양
AM에 사용되는 일반적인 금속 분말 사양:
| 매개변수 | 일반적인 값 | 테스트 표준 |
|---|---|---|
| 입자 크기 | 10 - 45 μm | ASTM B214 |
| 파티클 모양 | 구형 | ISO 13322-2 |
| 유량 | 25 - 35 초/50g | ASTM B213 |
| 겉보기 밀도 | 2 - 5g/cc | ASTM B212 |
| 탭 밀도 | 4 - 8g/cc | ASTM B527 |
| 잔류 산소 | < 300 ppm | 사내 방식 |
| 잔류 질소 | < 50ppm | 사내 방식 |
| 잔류 탄소 | < 30ppm | ASTM E1019 |
분말 생산 방법
1. 가스 분무
- 고구형 분말
- 5-100 μm의 작은 입자 크기
- 티타늄과 같은 반응성 합금에 사용
2. 물 분무
- 불규칙한 분말 모양
- 최대 300μm의 대형 입자
- 비용 절감 프로세스
3. 플라즈마 원자화
- 제어된 파티클 모양
- 서브미크론 ~ 150μm 크기
- 고순도 분말
4. 기계적 합금
- 원소 블렌딩 및 밀링
- 맞춤형 합금에 비용 효율적
- 큰 입자 크기
공급업체 및 가격
| 공급업체 | 재료 | 가격 범위 |
|---|---|---|
| LPW 기술 | 공구강, 스테인리스강 | $50 - $120/kg |
| AP&C | 티타늄 합금, 알루미늄 합금 | $70 - $450/kg |
| 샌드빅 | 스테인리스강, 니켈 합금 | $45 - $250/kg |
| 프렉스에어 | 초합금, 티타늄 | $150 - $600/kg |
| 목수 첨가제 | 공구강, CoCr, 스테인리스 | $80 - $300/kg |
- 스테인리스 스틸 분말은 kg당 $45-$120입니다.
- 티타늄 합금 분말은 kg당 $150-$450입니다.
- 초합금 및 공구강은 kg당 $250-$600입니다.
가격은 합금, 품질, 로트 크기, 구매 계약에 따라 달라집니다.
분말 취급 및 보관
오염을 방지하려면 적절한 분말 취급이 중요합니다:
- 파우더 체 전용 공간 사용
- 불활성 대기 글러브박스 및 호퍼 보장
- 전도성 용기를 사용하여 정전기를 방출하세요.
- 모든 장비 및 운송 컨테이너 접지
- 기름, 물, 산소와의 접촉을 피하세요.
- 분말을 밀폐된 용기에 담아 불활성 가스에 보관하세요.
- 보관 중 온도 및 습도 제어
- 취급 시 개인 보호 장비와 같은 안전 수칙을 준수하세요.
적절한 보관은 파우더 재사용 수명을 연장합니다.
분말 체질
체질은 일관된 입자 크기를 보장합니다:
혜택:
- 결함을 유발하는 위성 입자를 제거합니다.
- 덩어리 해체
- 흐름 및 포장 밀도 개선
- 재활용성 문제 감소
- 외부 오염 물질 제거
절차:
- 약 20-63μm의 메쉬 크기를 사용하여 분말을 체질합니다.
- 회전 체 또는 진동 체를 사용한 체질
- 불활성 분위기에서 체질 수행
- 남은 분말 중량 비율 문서화
체질은 이상적인 분말 확산성을 보장하여 부품 품질을 향상시킵니다.
설치 및 커미셔닝
파우더 시스템을 갖춘 금속 3D 프린터를 설치하려면 다음이 필요합니다:
- 오염 방지를 위한 장비 표면 청소
- 불활성 가스 연결부 누출 테스트
- 레이저 또는 전자빔 출력 확인
- 파우더 리코팅 시스템 로딩 및 테스트
- 냉각기, 배기 및 서비스 연결 통합
- 모니터링 및 안전 센서 설치
- 분말 체질 및 처리 시스템 검증
- 빌드 플레이트 레벨링 보정
- 샘플 부품 인쇄 테스트 및 품질 검증
공급업체는 설치 및 커미셔닝 지원을 제공합니다.
운영 및 모범 사례
프린터 작동 지침:
- 정기적인 누출 점검 및 불활성 가스 순도 테스트 수행
- 일관된 질감을 보장하는 프리컨디셔닝 파우더
- 새로운 재료에 대한 레이어 두께 및 레이저 파라미터 조정
- 용융 풀을 면밀히 모니터링하고 부품 온도를 제어합니다.
- 테스트 인쇄물을 사용하여 중요 치수 검증
- 파우더 상태를 모니터링하고 권장 사항 내에서만 재사용
- 광학 장치, 빔 전달 시스템 및 파우더 재코팅 메커니즘에 대한 정기적인 유지보수 수행
직원 안전:
- 마스크와 장갑 등 적절한 개인보호장비 사용
- 반응성이 있는 미세 금속 분말과의 접촉을 피하세요.
- 불활성 분위기에서 폐 분말을 올바르게 처리
파트 후처리:
- 합금 및 용도에 맞는 적절한 용액 열처리 및 노화 온도 사용
- 열 처리 중 램프 속도를 제어하여 스트레스 완화
- 밀도 향상을 위해 필요한 경우 복잡한 부품에 열간 등방성 프레스를 사용합니다.
- CNC 가공 및 연마와 같은 마무리 단계 적용
유지 관리 및 검사
정기적인 유지보수 활동:
매일:
- 거울, 렌즈, 창문과 같은 광학 장치의 손상 여부를 검사합니다.
- 빌드 챔버 및 파우더 처리 시스템 청소하기
- 불활성 가스 레벨을 확인하고 필요한 경우 재충전하기
- 체 메커니즘 및 파우더 리코터 테스트
매주:
- 센서 및 계측기 보정
- 패스너, 전기 단자 및 접지 확인
- 모터 및 드라이브와 같은 움직이는 부품의 윤활 및 검사
- 교체용 필터 모니터링
월간:
- 헬륨을 사용한 불활성 가스 시스템 누출 테스트
- 화재 감지기 등 안전 장치 점검
- CHP 시스템 상태 확인
매년:
- 장비 공급업체와 예방적 유지보수 예약
- 레이저 파워 미터 보정
- 필터 및 소모품 교체
부품 품질과 장비 상태를 유지하려면 공급업체 지침에 따른 유지 관리가 필요합니다.
올바른 금속 인쇄 시스템 선택
금속 3D 프린팅 장비를 선택할 때 고려해야 할 요소:
1. 생산 요구 사항
- 생산할 구성 요소 유형
- 부품 속성에 따라 필요한 재료
- 생산량 요구 사항
- 필요한 정확도 및 표면 마감
2. 프린터 사양
- 지원되는 자료 및 매개변수
- 빌드 크기 및 속도
- 정밀도 및 반복성
- 불활성 대기 관리
- 자동화 기능 및 제어
3. 파우더 처리 시스템
- 통합 또는 독립형 시스템
- 체질, 공급, 보관 및 재사용 기능
- 티타늄과 같은 반응성 물질에 대한 봉쇄
- 오염 방지를 위한 모니터링 기능
4. 표준 준수
- ASTM F3301과 같은 산업 표준
- 제조업체 품질 인증
- 안전 표준 준수
5. 공급업체 자격 증명
- AM 업계에서 입증된 실적
- 현지 영업 및 기술 지원 역량
- 유지 관리 계약 및 제공되는 서비스
- 운영자 교육 계획
- 전체 소유 비용
이러한 기준을 사용하여 철저한 요구 사항 분석과 장비 제품 비교를 통해 생산 요구 사항에 맞는 이상적인 3D 금속 프린팅 시스템을 선택할 수 있습니다.
메탈 AM의 장단점
장점:
- 높은 기하학적 복잡성을 쉽게 인쇄
- 기능 부품에 대한 시간 단축
- 감산 프로세스에 비해 낭비 감소
- CAD에서 직접 단일 설정 생산
- 경량화 및 부품 통합 가능성
- 엔지니어링 합금을 통한 성능 개선
- 사용자 지정 및 대량 사용자 지정 기능
단점:
- 높은 기계 및 재료 비용
- 추가 후처리 단계 필요
- 빌드 챔버에 따라 제한된 크기
- 내부 결함을 제어하는 것은 어려울 수 있습니다.
- 소재 속성은 가공된 것과 다를 수 있습니다.
- 표면 마감 제한으로 인해 마감 처리가 필요할 수 있습니다.
- 교육 및 전문 지식 요구 사항
일반적인 금속 AM 문제 해결
| 결함 | 가능한 원인 | 시정 조치 |
|---|---|---|
| 다공성 | 부적절한 프로세스 매개변수 | 레이저 출력, 속도, 해치 간격 최적화 |
| 분말 오염 | 신선한 체로 쳐진 분말 사용, 분말 취급 개선 | |
| 스캔 트랙 간 중첩이 충분하지 않음 | 빔 포커스 크기 및 오버랩 조정 | |
| 크래킹 | 과도한 열 스트레스 | 예열 최적화, 히터로 냉각 속도 제어 |
| 균열이 생기기 쉬운 소재 | 스트레스를 줄이기 위한 방향 변경 | |
| 빌드 대기로 인한 오염 | 고순도 불활성 대기 보장 | |
| 워핑 | 고르지 않은 난방 또는 냉방 | 스캔 패턴을 최적화하고 빌드 플레이트에 부품을 고정합니다. |
| 표면 마감 불량 | 부품 온도가 너무 낮음 | 예열 온도 높이기 |
| 부적절한 용융 풀 유동성 | 전원 및 기타 매개변수 조정 | |
| 오염된 분말 | 신선한 파우더 사용 및 취급 개선 |
자주 묻는 질문
Q: 적층 제조에 사용할 수 있는 금속 합금 분말에는 어떤 것이 있나요?
A: 스테인리스강, 공구강, 티타늄 합금, 니켈 초합금, 알루미늄 합금, 코발트-크롬, 구리 합금 등이 일반적입니다.
Q: 일반적으로 사용되는 분말 입자 크기의 범위는 어떻게 되나요?
A: PBF-LB/M 공정의 경우 10-45미크론이 일반적이며, 20-45μm 내외의 더 촘촘한 분포가 일반적입니다.
Q: 금속 분말은 얼마나 오래 사용할 수 있나요?
A: 이상적인 아르곤 보관을 통해 많은 합금의 수명은 1~2년입니다. 재사용 수명은 합금에 따라 20~100회 인쇄로 더 짧습니다.
Q: 금속 3D 프린팅 부품에는 어떤 후처리 단계가 필요합니까?
A: 서포트 제거, 열처리, CNC 가공과 같은 표면 마감, 연마 및 코팅이 필요한 경우가 많습니다.
Q: 티타늄 및 알루미늄과 같은 반응성 금속 분말은 어떻게 취급하나요?
A: 산소 흡착을 방지하기 위해 불활성 아르곤 분위기에서 특수한 분말 취급이 필요합니다.
Q: 일반적인 분말 오염 위험은 무엇인가요?
A: 대기에 노출되어 산소 또는 질소를 흡수하는 경우. 가공 또는 마모로 인한 금속 입자. 기름과 습기.
Q: 금속 분말을 인증하는 데 어떤 표준이 사용되나요?
A: ASTM B214, ASTM B812, ASTM F3049, ASTM F3301 및 MPIF 표준.
Q: 분말 체질이 중요한 이유는 무엇인가요?
A: 응집체를 분해하고, 새틀라이트가 제거되며, 고밀도 및 표면 마감을 위한 최적의 일관된 파우더 크기를 제공합니다.
결론
금속 분말은 경우에 따라 단조 소재보다 우수한 특성을 가진 고급 고성능 부품의 적층 제조를 가능하게 합니다. 스테인리스강부터 초합금, 티타늄에 이르기까지 다양한 합금이 항공우주, 의료, 자동차 및 일반 산업 전반의 까다로운 응용 분야에 맞춰 분말 형태로 제공됩니다. 합금, 품질 표준, 생산 공정, 기계 및 부품 특성이 지속적으로 개선되면서 금속 적층 가공은 전 세계적으로 핵심 생산 기술로 성숙해가고 있습니다. 하지만 금속 3D 프린팅의 이점을 최대한 활용하려면 공정 및 소재에 대한 전문 지식과 엄격한 품질 관리가 필수적입니다. 더 많은 경험을 쌓을수록 금속 3D 프린팅은 더 큰 설계 자유도와 더 짧은 리드 타임으로 복잡한 맞춤형 부품을 제조할 수 있는 전례 없는 기능을 제공합니다.
