소개
3D 프린팅 기술은 산업 전반의 제조 공정에 혁신을 가져왔으며, 복잡하고 가벼운 부품을 신속하게 프로토타입으로 제작하고 생산할 수 있게 해줍니다. 금속 3D 프린팅에서 가장 널리 사용되는 재료 중 하나는 높은 중량 대비 강도, 내식성, 우수한 열 및 전기 전도성, 후처리의 용이성으로 인해 알루미늄입니다.
다양한 알루미늄 합금 중 7050 알루미늄 합금 분말 은 높은 강도와 적당한 인성을 필요로 하는 3D 프린팅 분야에서 인기를 얻고 있습니다. 7050 알루미늄은 아연, 마그네슘, 구리를 주요 합금 원소로 함유하고 있으며 일부 강철과 비슷한 강도를 제공합니다. 이 문서에서는 7050 알루미늄 합금 분말과 3D 프린팅에서의 응용 분야에 대한 개요를 제공합니다.
7050 알루미늄 합금 분말 개요
7050 알루미늄 합금 분말은 1950년대에 고강도 항공기 구조용으로 처음 개발되었습니다. 모든 알루미늄 합금 중에서 가장 강도가 높은 것으로 알려진 7xxx 시리즈 알루미늄 합금의 일부입니다.
7050 알루미늄 합금 분말의 일반적인 구성은 다음과 같습니다:
- 아연: 6.2%
- 마그네슘: 2.3%
- 구리: 2.2%
- 철분: 0.15%
- 실리콘: 0.12% 실리콘: 0.12
- 망간: 0.10%
- 크롬: 0.05%
- 지르코늄: 0.25%.
주요 합금 원소인 아연과 마그네슘은 침전 경화를 통해 강도를 높이고 구리는 내식성을 향상시킵니다. 입자 구조 제어를 위해 지르코늄이 추가되었습니다.
7050 알루미늄 합금 분말의 주요 특성은 다음과 같습니다:
- 고강도 &8211; 항복강도 500MPa, 인장강도 570MPa(T651 템퍼 기준)의 고강도.
- 우수한 파단 인성 &8211; T7351 성질에서 약 33 MPa√m.
- 우수한 피로 강도 &8211; T7351 템퍼에서 107 사이클에서 약 310 MPa의 피로 강도.
- 구리 합금으로 내식성이 우수합니다.
- 중간 밀도 &8211; 약 2.83g/cm3.
- 열처리 시 가공성과 치수 안정성이 뛰어납니다.
7050은 고강도, 우수한 인성 및 적당한 밀도의 조합으로 경량화를 목표로 하는 구조용 부품 및 구성품에 이상적인 선택입니다.
3D 프린팅용 7050 알루미늄 합금의 장점
7050 알루미늄 합금은 3D 프린팅 애플리케이션에 적합한 몇 가지 이점을 제공합니다:
높은 중량 대비 강도 비율
상대적으로 높은 강도와 중간 밀도가 결합되어 7050 알루미늄의 중량 대비 강도가 우수합니다. 이를 통해 충분한 기계적 특성을 갖춘 경량 3D 프린팅 부품을 설계할 수 있습니다.
7050의 높은 강도는 높은 응력, 압력 및 작동 하중을 처리해야 하는 부품의 3D 프린팅을 가능하게 합니다. 동시에 스틸 및 티타늄 합금에 비해 밀도가 낮기 때문에 무게를 줄일 수 있습니다.
우수한 인쇄성
7050 파우더 입자는 적절한 원자화 기술을 통해 구형 또는 구형에 가까운 형태로 최적으로 성형할 수 있습니다. 이를 통해 3D 프린팅 시 파우더의 흐름이 원활하고 파우더 층이 균일하게 퍼질 수 있습니다.
또한 알루미늄의 뛰어난 열 전도성은 인쇄 중 뒤틀림이나 잔류 응력과 같은 문제를 방지합니다. 따라서 인쇄된 7050 알루미늄 합금 분말 부품의 인쇄성과 치수 정확도가 우수합니다.
열처리 가능성
7050 알루미늄 합금 분말은 열처리를 통해 고강도 등 원하는 특성을 얻을 수 있습니다. 어닐링 상태에서 인쇄한 후 인쇄 후 열처리하면 응용 분야 요구 사항에 따라 특성을 조정할 수 있습니다.
용액 처리, 담금질, 에이징을 통해 T6 및 T7 온도에서 최적의 강도를 얻을 수 있습니다. 7050의 에이징 사이클 사이에 냉간 가공을 하면 항복 강도를 550MPa 이상으로 높일 수 있습니다.
내식성
구리를 첨가하면 많은 구조물 분야에서 7050 알루미늄에 우수한 내식성을 제공합니다. 따라서 경우에 따라 특수 코팅이 필요하지 않아 인쇄 및 후처리가 간소화됩니다.
용접성
7050 알루미늄 합금 분말은 다른 고강도 7xxx 합금보다 용접성이 우수합니다. 따라서 3D 프린팅된 7050 부품을 서로 또는 기존 제조 방식으로 제작된 부품에 용접할 수 있어 설계 유연성이 높아집니다.
마찰 교반 용접 및 가스 텅스텐 아크 용접을 사용하여 7050 알루미늄을 모재 특성에 큰 손실 없이 접합할 수 있습니다.
비용 효율성
7050 알루미늄 합금 분말은 티타늄과 같은 다른 고강도 항공우주 합금보다 저렴합니다. 따라서 7050은 무게와 재료비 절감을 목표로 하는 많은 산업 분야에서 경제적인 선택이 될 수 있습니다.
알루미늄의 재활용성이 우수하고 스크랩 파우더를 재사용할 수 있어 비용 효율성이 더욱 향상됩니다. 3D 프린팅 알루미늄 부품의 구매 대 비행 비율은 1:1까지 낮을 수 있습니다.
3D 프린팅 7050 알루미늄 부품의 응용 분야
7050 알루미늄 합금 분말의 고유한 특성으로 인해 다음과 같은 용도에 적합합니다:
항공우주 애플리케이션
항공우주 산업은 알루미늄 합금을 사용한 금속 3D 프린팅을 가장 선도적으로 채택한 분야 중 하나입니다. 높은 강도, 파단 인성 및 피로 강도를 가진 7050 알루미늄은 다음과 같은 항공우주 부품을 프린팅하는 데 사용할 수 있습니다:
- 구조 프레임 및 브래킷
- 항공기 씰, 덕트 및 하우징
- 터빈 블레이드, 열교환기 및 파워트레인 부품
- 모터 마운트 및 랜딩 기어와 같은 UAV/드론 구성 요소
3D 프린팅은 최적화된 설계와 복잡한 형상의 경량 항공우주 부품을 만드는 데 도움이 됩니다. GE와 Safran은 7050 합금을 사용하여 제트 엔진 부품을 인쇄하고 기존 제조 방식보다 50%의 무게를 절감했습니다.
자동차 부품
7050과 같은 알루미늄 합금은 자동차의 무거운 강철 부품을 대체하고 경량화에 도움을 줄 수 있습니다. 7050 알루미늄을 사용한 3D 프린팅 자동차 부품의 몇 가지 예는 다음과 같습니다:
- 섀시, 파워트레인 및 컨트롤 암과 같은 서스펜션 부품
- 휠 림
- 브레이크 캘리퍼 및 디스크
- 전송 케이스 및 하우징
- 열교환기 및 인터쿨러
3D 프린팅을 사용하면 여러 부품으로 구성된 어셈블리를 단일 인쇄된 자동차 부품으로 통합할 수 있습니다. Ford와 부가티는 레이싱 및 양산 차량에 3D 프린팅 알루미늄 자동차 부품을 테스트했습니다.
소비자 가전
가전 업계에서는 경량, 고강도 인클로저, 프레임, 방열 부품 등의 제품에 3D 프린팅을 활용하고 있습니다:
- 노트북, 휴대폰, 태블릿, 웨어러블 디바이스
- 데스크톱 3D 프린터 및 컴퓨터 하드웨어
- 게임 콘솔 및 액세서리
- 하이엔드 오디오-비디오 장치
Apple은 7050 알루미늄 합금을 사용하여 선택적 레이저 소결 3D 프린팅으로 Mac Pro 노트북의 인클로저를 제작하여 강도와 열 관리를 극대화합니다.
로보틱스 구성 요소
로봇의 다양한 액추에이터, 파워트레인 부품, 조인트, 마운트, 엔드 이펙터를 알루미늄 합금으로 3D 프린팅하여 동적 하중에서도 가볍고 높은 강도의 성능을 발휘할 수 있습니다. 7050 알루미늄 합금 파우더는 로봇 부품에 적합합니다:
- 산업용 로봇
- 협업 로봇
- 외골격
- UAV 및 드론
- 우주 로봇 및 탐사선
의료 기기
7050 알루미늄을 사용한 3D 프린팅 수술 기구, 치과 임플란트, 보철물, 의료용 툴링은 하중을 견디는 용도에 필요한 강도를 제공하면서 생체 적합성을 갖췄습니다.
방어 장비
3D 프린팅 7050 부품을 사용하여 항공모함, 탱크, 포병과 같은 군용 차량과 장비를 경량화하면 기동성이 향상됩니다. 또한 알루미늄 갑옷은 기존 강철 갑옷보다 무게를 줄이면서 보호 기능을 제공할 수 있습니다.
7050 알루미늄 3D 프린팅을 위한 공정 파라미터
알루미늄 합금에 가장 적합한 3D 프린팅 공정은 레이저 또는 전자빔과 같은 집중된 열원을 사용하여 분말 입자를 층별로 선택적으로 녹이고 융합하는 분말 베드 용융입니다.
7050 알루미늄에 사용되는 다양한 파우더 베드 기술은 다음과 같습니다:
- 직접 금속 레이저 소결(DMLS)
- 선택적 레이저 용융(SLM)
- 전자 빔 용융(EBM)
7050 알루미늄의 일반적인 공정 파라미터 범위는 다음과 같습니다:
레이저 및 광학
- 레이저 출력: 100-500W
- 레이저 스캐닝 속도: 100-1000mm/s
- 해치 간격: 0.1-0.2mm
- 층 두께: 20-100 μm
파우더 베드
- 분말 입자 크기: 15-45 μm
- 분말 베드 온도: SLM/DMLS의 경우 실온, EBM의 경우 600-850°C
불활성 대기
- 산소 함량 0.1% 미만(SLM/DMLS의 경우)
- EBM용 진공
DMLS/SLM의 경우 녹는점 바로 아래, 즉 약 500°C까지 예열하면 잔류 응력을 줄이는 데 도움이 됩니다. EBM의 높은 파우더 베드 온도도 응력을 최소화합니다.
부품 방향, 지지 구조 및 스캐닝 전략은 잔류 응력과 프린트 품질에도 영향을 미칩니다. SLM과 EBM 모두 기존 제조 방식에 가까운 특성을 가진 고밀도 7050 알루미늄 부품을 빠르게 프린트할 수 있습니다.
3D 프린팅된 7050 알루미늄 부품의 후처리
인쇄 후에는 일반적으로 다음과 같은 후처리 단계가 사용됩니다:
- 빌드 플레이트에서 제거합니다: 밴드 톱질, 절단, 방전 가공과 같은 기존 방식. 릴리스 레이어와 같은 인터페이스를 사용하여 부품을 쉽게 분리할 수 있도록 최소화합니다.
- 지원 제거: 지지대는 펜치, 절단기 또는 가성 욕조에 녹여 제거합니다.
- 열처리: 원하는 기계적 특성과 재료 미세 구조를 달성하기 위해. 7050의 경우 용액 처리, 담금질, 에이징이 포함됩니다.
- 표면 마감: 샌드 블라스팅, 그라인딩, 라이닝, 폴리싱 등의 기술을 사용하여 표면의 불규칙한 부분을 제거하는 작업입니다. 압축 응력을 유도하기 위해 샷 피닝을 수행할 수도 있습니다.
- 품질 검사: 치수, 공차 및 최종 재료 특성이 지정된 요구사항에 부합하는지 확인합니다. 좌표 계측, 인장 시험, 비파괴 평가와 같은 테스트 방법이 사용됩니다.
- 부품 인증: 항공 부품 품질을 검증하여 항공우주 산업의 규제 표준 준수를 보장합니다. 기존 워크플로에 비해 리드 타임을 획기적으로 단축합니다.
후처리 작업을 자동화하면 반복성이 향상되고 전체 부품 생산 시간이 단축됩니다. 인쇄와 후처리를 하나의 공작 기계에 통합하는 것이 새로운 추세로 떠오르고 있습니다.
7050 알루미늄 3D 프린팅의 장점과 과제
3D 프린팅 7050 알루미늄 부품의 주요 이점은 다음과 같습니다:
- 무게 감소 강철 부품 대비 50% 이상 무게 감소, 연료 효율 향상
- 비용 효율성 티타늄 합금 대비 비용 절감, 스크랩 손실 감소
- 부품 통합 – 복잡하고 최적화된 지오메트리를 허용하고 어셈블리를 단일 부품으로 결합합니다.
- 신속한 제조 리드 타임 대폭 단축, 제품 개발 가속화
- 높은 강도 – 기계적 특성은 전통적으로 제조된 알루미늄을 능가합니다.
- 사용자 지정 고객 맞춤형 설계 기능으로 부품 제작 지원
- 지속 가능성 알루미늄 분말을 재사용하여 비교적 친환경적입니다.
하지만 몇 가지 과제를 고려해야 합니다:
- 높은 장비 비용 프린터, 파우더 처리 시스템에는 대규모 투자가 필요합니다.
- 프로세스 최적화 고품질 인쇄를 위해 여러 매개 변수를 조정해야 합니다.
- 자료 자격 – 기계적 특성은 최적화된 인쇄 공정에 따라 달라집니다.
- 후처리 &8211; 여러 단계가 필요하고 시간과 비용이 많이 듭니다.
- 부품 크기 제한 &8211; 프린터 봉투 크기에 의해 제한됨
- 표면 마감 전통적인 가공 또는 기타 마감 처리가 필요할 수 있습니다.
전반적으로 경량 구조, 부품 통합 및 설계 유연성의 장점은 대부분의 애플리케이션에서 위에서 강조한 과제보다 더 큽니다.
7050 알루미늄 합금 분말 3D 프린팅의 미래 전망
경량 고강도 알루미늄 합금의 사용은 항공, 자동차 및 경량 설계를 지향하는 기타 산업 전반의 3D 프린팅에서 기하급수적으로 증가할 것으로 예상됩니다.
알루미늄 합금 중에서도 7050은 강철에 가까운 우수한 강도 특성과 적당한 밀도가 결합되어 적용 분야가 계속 늘어날 것입니다. 알루미늄 합금은 2025년까지 생산되는 전체 금속 3D 프린팅 부품의 25% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다.
7050 알루미늄 3D 프린팅의 채택을 확대할 주요 트렌드는 다음과 같습니다:
- 프로세스 개선 파라미터 최적화, 통합 후처리 및 품질 관리를 통해 기존 제조업과 동등한 수준의 3D 프린팅이 가능해집니다.
- 비용 절감 생산성 향상, 공급망 개선, 재활용을 통해 비용을 절감할 수 있습니다.
- 새로운 애플리케이션 의료, 해양, 우주, 국방 등 다양한 분야의 혁신이 3D 프린팅 알루미늄 부품의 수요를 견인할 것입니다.
- 확장된 기능 더 큰 빌드 볼륨, 다중 재료 인쇄 및 신속한 인증으로 애플리케이션을 더욱 쉽게 적용할 수 있습니다.
- 자동화 통합 디지털 제조 생태계에 3D 프린팅을 도입하면 채택률이 높아질 것입니다.
장기적으로 7050 알루미늄 합금 분말을 사용한 3D 프린팅은 고유한 장점으로 인해 여러 산업 분야에서 주류 생산 기술이 될 것입니다.
결론
7050 알루미늄 합금은 항공, 자동차 및 기타 까다로운 응용 분야의 구조 및 하중 지지 부품에 필요한 고강도, 파단 인성, 용접성 및 내식성을 최적으로 조합하여 제공합니다.
7050 알루미늄 파우더를 사용한 3D 프린팅은 기존 기술로는 달성할 수 없었던 복잡한 형상, 경량 구조, 신속한 제조를 가능하게 합니다. 여러 산업 분야에서 무게 감소, 비용 절감, 리드 타임 단축, 설계 유연성 측면에서 상당한 기회를 제공합니다.
3D 프린팅 공정, 재료 특성, 품질 표준, 부품 인증이 지속적으로 개선되면서 7050 알루미늄 합금은 향후 몇 년 안에 디지털 제조에 매우 가치 있는 소재로 자리 잡을 것으로 예상됩니다. 운송, 방위, 소비재 및 산업 부문 전반에서 경량 설계에 대한 동기에 힘입어 적용 분야가 계속 늘어날 것입니다.