티타늄 3D 프린팅 파우더
티타늄 3D 프린팅 파우더는 강하고 가벼운 구조용 금속으로 항공우주, 의료, 자동차 및 산업 분야의 적층 제조에 광범위하게 사용되고 있습니다. Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금 분말을 사용하면 복잡한 부품을 3D 프린팅하여 내식성 및 생체 적합성과 함께 높은 강도를 제공할 수 있습니다.
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목차
개요
티타늄은 강도가 높고 가벼운 구조용 금속으로 항공우주, 의료, 자동차 및 산업 분야에서 적층 제조에 광범위하게 사용되고 있습니다. Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금 분말을 사용하면 복잡한 부품을 3D 프린팅하여 내식성 및 생체 적합성과 함께 높은 강도를 제공할 수 있습니다.
선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)은 미세 티타늄 분말을 가공이나 주조로는 불가능한 복잡한 디자인의 완전 고밀도 부품으로 가공할 수 있습니다. 이 가이드에서는 금속 3D 프린팅의 이점을 활용하기 위한 티타늄 합금 구성, 특성 데이터, 응용 분야, 프린터 매개변수 및 공급업체를 다룹니다.
티타늄 인쇄 분말의 구성
티타늄 합금은 주로 티타늄에 알루미늄, 바나듐, 철, 몰리브덴 등의 다른 합금 원소를 첨가하여 특정 특성을 강화하는 방식으로 구성됩니다. 적층 가공에 사용되는 가장 일반적인 티타늄 등급은 다음과 같습니다:
| 합금 | Ti 콘텐츠 | 주요 합금 원소 |
|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | Bal. 88%+ | 알루미늄 6%, 바나듐 4% |
| Ti-6Al-4V ELI | Bal. 89%+ | 알루미늄 6%, 바나듐 4% |
| Ti 6242 | Bal. | 알루미늄 6%, 몰리브덴 2% |
| Ti64 | Bal. 90% | 알루미늄 6%, 바나듐 4% |
- Ti-6Al-4V(5등급)는 가장 인기 있는 티타늄 합금으로, +알루미늄 안정화 및 +V 강수량 경화를 통해 강도를 높였습니다. 초저간극(ELI) 변형은 연성이 높습니다.
- Ti 6242 합금은 일부 바나듐을 대체하여 골유착이 필요한 생체 적합성 정형외과 임플란트에 더 적합하도록 만들어졌습니다.
- 철, 산소, 질소, 탄소와 같은 미량 원소는 지정된 한도를 초과하여 존재할 경우 기계적 특성에 악영향을 미치므로 최소화합니다.
금속 티타늄 인쇄 분말의 특성
티타늄 합금을 항공기 및 의료 제품에 매력적으로 만드는 주요 재료 특성에는 다음이 포함됩니다:
| 속성 | Ti-6Al-4V | Ti-6Al-4V ELI |
|---|---|---|
| 밀도 | 4.43g/cm3 | 4.43g/cm3 |
| 융점 | 1604-1660°C | 1650°C |
| 인장 강도 | 895-975 MPa | 860-965 MPa |
| 항복 강도(0.2% 오프셋) | 825-869 MPa | 795-827 MPa |
| 신장 | 10-16% | >15% |
| 영의 계수 | 114 GPa | 105GPa |
| 열 전도성 | 7.0 W/m-K | 7.2 W/m-K |
| 전기 저항 | 170-173 μΩ-cm | 198 μΩ-cm |
- 낮은 밀도(강철의 절반)에 비해 강도가 높기 때문에 티타늄 부품은 더 가볍습니다. 강도는 일반적인 알루미늄 합금을 능가하는 동시에 부식 문제를 방지합니다.
- 냉간 성형에 적합한 연성. Ti64 ELI와 같은 초저 간극 변형은 연신율을 더욱 향상시킵니다.
- 녹는 온도가 1600°C를 초과합니다. 400-500°C에서 물성을 잘 유지합니다.
- 열 및 전기 전도도가 매우 낮아 스파크를 방지하고 열을 차단할 수 있습니다.
금속 3D 프린팅 티타늄 부품의 응용 분야
항공우주
- 구조용 기체 브래킷, 리브, 임펠러 및 피팅
- 경량화된 터보차저 하우징 및 열교환기
- 제트 엔진 터빈 섹션에 통합된 컨포멀 냉각 채널
- 구성 요소에 부합하는 맞춤형 UAV/드론 프레임
의료 및 치과
- 비구 컵과 같은 정형외과용 무릎, 엉덩이, 척추 및 턱 임플란트
- 크라운 및 브릿지용 치과용 어버트먼트
- 환자 해부학적 구조에 따른 맞춤형 두개골 재건 플레이트
자동차
- 모터 하우징 브래킷 및 서스펜션 구성품
- 사출 금형에 통합된 컨포멀 밀착형 냉각 방식
- 복잡한 공기 흐름 형상을 갖춘 경량 브레이크 디스크 로터
티타늄 3D 프린팅을 위한 공정 파라미터
파우더 베드 융합 공정에서 티타늄 분말 재료를 사용할 때의 주요 매개변수입니다:
LPBF 설정
| 매개변수 | 범위 |
|---|---|
| 레이저 출력(W) | 170-380W |
| 스캔 속도(mm/s) | 700-1100mm/s |
| 빔 크기(μm) | 75-115 μm |
| 레이어 높이(μm) | 20-75 μm |
| 해치 간격(μm) | 80-160 μm |
| 차폐 가스 | 아르곤 |
EBM 설정
| 매개변수 | 범위 |
|---|---|
| 빔 출력(W) | 3 kW |
| 빔 속도(mm/s) | 최대 8m/s |
| 빔 크기(mm) | 0.2-0.4 |
| 레이어 높이(mm) | 0.05-0.2 |
| 빌드 온도(°C) | 650-800°C |
LPBF는 지지 구조가 필요한 반면, EBM은 도움 없이 금속을 제작합니다. 응력 완화 및 열간 등방성 프레스 후 ≥99% 밀도를 달성할 수 있습니다. 최소 벽 두께는 일반적으로 100-150미크론에 이릅니다.
티타늄 인쇄 분말 공급업체
선도적인 금속 제조 회사들은 적층 공정용 티타늄 분말을 인증했습니다:
| 회사 | 제공되는 Ti 등급 | 형태학 | 입자 크기 |
|---|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti64 ELI | 플라즈마 분무, 구형 | 15-53 미크론 |
| Tekna | Ti-6Al-4V, Ti 6242 | 플라즈마 원자화 | 15-45 미크론 |
| 목수 첨가제 | Ti-6Al-4V, Ti 6242 | 가스 분무 | 10-45 미크론 |
| ATI 파우더 메탈 | Ti-6Al-4V | 플라즈마 원자화 | 10-45 미크론 |
| 샌드빅 오스프리 | Ti6Al4V, Ti 6242, Ti64 ELI | 가스 분무, 구형 | 15-100 미크론 |
티타늄 프린팅 파우더 비용
고성능 애플리케이션을 위한 고급 경량 합금인 티타늄 파우더는 프리미엄이 붙습니다:
- 재료 가격 범위는 kg당 $200 ~ $500입니다.
- 입자 크기가 더 작고 순도가 높은 맞춤형 합금은 비용을 더욱 증가시킵니다.
- 재활용 분말은 유동성이 좋다는 가정 하에 더 저렴합니다.
티타늄 3D 프린트 부품의 후처리
인쇄 후 티타늄 부품은 다음과 같은 과정을 거칩니다:
지지대 제거 - 접근이 가능한 경우 EDM 절단을 통해 지지대를 조심스럽게 분리하고, 작은 피처를 스냅오프합니다.
스트레스 해소 - 빌드 플레이트 전체를 아르곤에서 2시간 동안 650°C로 부드럽게 열처리하여 잔류 응력을 줄입니다.
열간 등방성 프레스 - 920°C, 100MPa에서 3시간 동안 HIP 공정을 통해 99% 밀도 이상의 내부 공극을 막습니다.
솔루션 처리 - 705°C에서 1시간 동안 담근 후 공기/물 담금질로 원하는 미세 구조를 만듭니다.
가공 - 치수 공차 요구 사항을 충족하는 CNC 밀링 중요 결합 표면
블래스트 + 산성 에칭 - 알루미나 샷 핀과 산성 에칭으로 표면을 깨끗하게 하는 방법
품질 테스트 - 화학, 미세 구조, 층별 품질 및 기계적 특성이 사양을 충족하는지 확인합니다.
티타늄 3D 프린팅 표준
| 표준 | 제목 | 조직 |
|---|---|---|
| ASTM F2924 | 분말 베드 융합을 통한 적층 제조 티타늄-6 알루미늄-4 바나듐 표준 사양 | ASTM |
| ASTM F3001 | 분말 베드 융합을 통한 적층 제조 티타늄-6 알루미늄-4 바나듐 ELI(초저간극) 표준 사양 | ASTM |
| AMS 2801 | 티타늄 합금 부품의 열처리 | SAE 국제 |
| AMS 2879 | 가스 분무 공정 Ti 분말 | SAE |
| AMS 700 | 분말 및 분말 야금 제품에 대한 분석 절차 및 시험 방법 | SAE |
티타늄을 사용한 파우더 베드 프린팅의 미래 전망
현재 항공우주 분야에서 상당한 부품 통합과 경량화 이점으로 인해 70%의 수요가 발생하고 있지만, 비용이 감소함에 따라 자동차, 스포츠용품 및 더 많은 소비자 부문에서 티타늄 AM 채택이 가속화될 것입니다. 더 많은 티타늄 프린트 응용 분야는 다음과 같습니다:
항공우주 - 설계 복잡성, 부품 어셈블리 통합 및 내식성의 강점을 활용하여 터빈 블레이드 및 미래 승객실 섹션과 같은 주요 구조물을 더 크고 완전하게 프린팅합니다.
바이오메디컬- 티타늄의 생체 적합성과 골 결합 능력으로 조직 성장을 촉진하는 격자형 내부를 갖춘 해부학적 구조에 맞춘 척추 케이지와 같은 환자 맞춤형 보철물 및 임플란트가 증가했습니다.
자동차 - 경량화된 서스펜션, 섀시, 커넥팅 로드 및 크랭크샤프트와 같은 파워트레인 부품, 고성능 밸브 및 피스톤은 피로와 고온에 대한 내성을 강화합니다.
석유 및 가스 - 황화수소 및 염화물이 포함된 고온 산성 환경에서 내식성을 갖춘 웰헤드 밸브 본체 및 드릴링 공구. 유량 극대화를 위한 맞춤형 구조.
소비자 제품 - 자전거 프레임, 골프 클럽 헤드 등 개인별 프로파일에 맞는 맞춤형 스포츠 장비. 무게 대비 강도가 높고 모양이 유연하며 비용 절감을 위해 더 많이 채택되고 있습니다.
티타늄 파우더 베드 3D 프린터 구매자 가이드
주요 프린터 고려 사항은 다음과 같습니다:
정밀도 - 대규모 빌드에서 기계적 물성의 일관성을 유지하기 위한 엄격한 용융 풀 제어 및 보정
불활성 대기 - 산소, 질소로 인한 오염을 방지하기 위해 반응성 티타늄 소재를 사용한 고순도 아르곤이 중요합니다.
자동화 - 노출을 최소화하고 지속적인 생산을 촉진하는 분말 처리 시스템
스마트 소프트웨어 - 열 이력에 맞춘 특별한 스캔 전략
주요 모델은 다음과 같습니다:
- 3D Systems DMP Factory 500
- GE 적층 개념 레이저 X라인 2000R
- EOS M 400-4 4레이저 시스템
- Renishaw RenAM 500 쿼드 레이저 기계
비용 비교: 티타늄 적층 제조와 기계 가공
| 비용 측면 | 첨가제 제조 | CNC 가공 |
|---|---|---|
| 재료비 | kg당 $200-$500 | kg당 $100-$150 |
| 노동 | 제작 시간 ~2~3배 단축 | 처리 시간 단축 |
| 장비 활용도 | 프린터 시간당 ~$50 | CNC 기계 시간당 $70-$200 |
| 구매 대 비행 비율 | 1:1 효율적인 사용 | 최대 20:1의 재료 낭비 |
| 현재 총 비용 | kg당 $150-$1000 | kg당 $50-$200 |
| 향후 생산량 예측 | kg당 $50-$150 | 예상되는 중단 없음 |
오늘날 적층 가공은 구매 수량과 기대 품질에 따라 기존 티타늄 가공의 2~10배에 달하는 비용이 들지만, 더 큰 디자인 자유도를 제공합니다.
적층 가공 생산성이 향상되고 산업 전반에서 더 많은 최종 사용 부품이 승인됨에 따라 예상되는 비용은 상당한 경량화 및 부품 통합(최대 65% 중량 감소가 입증됨)을 통해 기계 가공의 경쟁력을 갖추게 됩니다.
환경 영향: 금속 3D 프린팅과 기계 가공 비교
| 지속 가능성 지표 | 금속 적층 제조 | CNC 가공 금속 |
|---|---|---|
| 에너지 사용량 | 높음 - 포인트별 선택적 광선 피드 | 낮은 에너지 강도 |
| 재료 효율성 | 그물 모양에 가깝고 낭비가 거의 없음 | 재고 막대를 빼는 데 낭비되는 최대 90% 자재 |
| 재사용 가능성 | 90%+ 분말 회수, 재활용됨 | 금속 칩에는 재사용 경로가 없습니다. |
| CO2 배출량 | 완성된 부품당 에너지 절감 | 동일한 구성 요소에 대해 상대적으로 더 많은 탄소 배출 |
적층 제조는 높은 국부적 에너지 소비에도 불구하고 경량화에 최적화된 설계와 파우더 재사용을 통해 재료를 크게 절감하여 시스템 수준에서 환경 발자국을 최소화할 수 있습니다.
금속 파우더 베드 3D 프린팅 FAQ
Q: 적층 가공에 사용되는 티타늄 분말에 권장되는 입자 크기 분포는 무엇인가요?
A: 대부분의 3D 프린팅용 티타늄 분말의 입자 크기는 15미크론에서 45미크론입니다. 일부 분포는 105미크론까지 올라갑니다. 핵심은 높은 파우더 흐름 능력과 패킹 밀도입니다.
Q: 인쇄된 티타늄 부품 밀도를 100%에 가깝게 개선하기 위해 어떤 후처리 방법을 사용하나요?
A: 서포트를 제거한 후 티타늄 프린트 부품 내의 내부 공극과 미세 다공성을 완전히 닫으려면 약 920°C의 온도에서 100MPa 압력으로 3시간 이상 전체 3D 프린트 빌드 플레이트를 열간 등방성 프레스로 압착해야 합니다.
Q: Ti-6Al-4V 티타늄 합금은 금속 3D 프린팅 부품 후가공에 용접성이 좋은가요?
A: 예, 5등급 Ti 6-4 티타늄은 스테인리스 스틸보다 산소 함량이 낮아 복잡한 인쇄 어셈블리를 접합하거나 수밀 밀봉을 제공할 때 TIG 및 레이저 기술을 통해 용접 호환성이 뛰어납니다. 여전히 적절한 차폐가 필요합니다.
Q: 티타늄 합금을 사용한 금속 적층 제조에 대한 수요가 가장 많은 산업 분야는 어디인가요?
A: 항공우주 분야는 토폴로지 최적화 설계와 기존 조립 부품의 통합을 통한 중량 감소의 이점을 크게 누리는 고부가가치 구조용 애플리케이션 덕분에 현재 50% 이상의 티타늄 적층 제조 용량을 소비하고 있습니다.
Q: 파워 베드 용융 방식으로 제작된 티타늄 부품에 후처리 열처리가 필요합니까?
A: 예, 응력 완화, 열간 등방성 프레스, 용액 처리 및 노화는 모두 치수 안정성, 미세 구조 변형 및 경도, 인장 및 항복 강도와 같은 최적의 기계적 특성을 달성하기 위해 3D 프린팅된 티타늄 부품에 필요한 열처리입니다.
Q: 의료용 임플란트 응용 분야에 적합한 티타늄 합금 조성은 Ti64와 Ti6242 중 어느 것이 더 낫습니까?
A: Ti6Al4V와 Ti6242 모두 환자 해부학적 구조에 맞는 생체 적합성 프린트 임플란트를 만들 수 있지만, 정형외과 의사들은 뼈의 성장을 방해하는 골유착 문제로 인해 바나듐 함량이 낮은 합금을 선호하므로 Ti6242의 사용률이 더 높습니다.
