소개
티타늄 합금특히 Ti-6Al-4V(TC4 또는 Ti64라고도 함)는 적층 제조 및 3D 프린팅의 주요 재료로 자리 잡았습니다. 높은 중량 대비 강도, 내식성, 생체 적합성 등 TC4의 고유한 특성 덕분에 다양한 3D 프린팅 부품 및 애플리케이션에 이상적인 선택입니다.
이 글에서는 3D 프린팅에 적합한 TC4의 주요 특성과 특성, 다양한 3D 프린팅 기술에 사용되는 일반적인 TC4 분말 유형 및 파라미터, 3D 프린팅된 TC4 부품의 응용 분야와 이점, 적층 제조에서 이 다용도 티타늄 합금 분말의 향후 전망에 대해 살펴봅니다.
주요 속성 티타늄 합금 3D 프린팅용
TC4의 기계적 특성, 내식성, 생체 적합성의 균형은 그 구성과 미세 구조에서 비롯됩니다. 다음은 이 티타늄 합금을 3D 프린팅을 위한 최고의 선택으로 만드는 몇 가지 주요 특성입니다:
높은 중량 대비 강도 비율
밀도가 4.43g/cm3인 TC4는 강철 밀도의 거의 절반에 불과합니다. 하지만 인장 강도는 1000~1100MPa로 대부분의 강철과 비슷한 수준입니다. 따라서 TC4는 무게 대비 강도가 우수하여 경량 구조 부품에 적합합니다.
내식성
티타늄에 알루미늄을 첨가하여 TC4는 다양한 산, 알칼리 및 염화물에 대한 내식성이 뛰어납니다. 이러한 저항성 덕분에 TC4로 프린트된 부품은 열악한 환경에서도 사용할 수 있습니다. TC4에 형성되는 산화물 층은 생체 적합성도 제공합니다.
용접성
TC4는 TIG 및 레이저와 같은 전통적인 용접 방법을 사용하여 융착 용접할 수 있습니다. 이는 3D 프린팅된 TC4 부품과 기존 방식으로 제조된 티타늄 부품 및 어셈블리를 결합하는 데 도움이 됩니다.
고온 속성
TC4는 최대 400°C의 고온에서 단기간 동안 우수한 기계적 특성을 유지합니다. 따라서 TC4 인쇄 부품은 항공 우주, 자동차 등의 고온 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.
생체 적합성
산화물 층과 세포 독성이 없기 때문에 TC4는 생체 적합성이 높습니다. 따라서 인체와 접촉하는 생체의료용 임플란트 및 기기에 사용할 수 있습니다. 치과용 임플란트, 정형외과용 임플란트, 수술용 기구 등이 대표적인 응용 분야입니다.
3D 프린팅용 TC4 파우더 유형
TC4는 다양한 3D 프린팅 공정에 맞게 다양한 파우더 유형으로 제공됩니다:
플라즈마 분무 분말
플라즈마 분무는 고온 플라즈마 가스를 사용하여 액체 티타늄 합금을 녹여 미세한 구형 분말로 분무합니다. 이를 통해 바인더 분사 및 재료 압출 3D 프린팅에 적합한 우수한 유동성과 패킹 밀도를 가진 파우더 입자를 얻을 수 있습니다.
가스 분무 분말
불활성 가스 분무에서는 합금 용융 스트림이 구형 분말로 응고되는 방울로 분해됩니다. 가스 분무 TC4 분말은 순도가 높고 입자 크기가 일정하여 레이저 파우더 베드 융합 3D 프린팅에 이상적입니다.
혼합 원소 파우더
혼합 원소 분말은 순수한 티타늄, 알루미늄 및 바나듐 분말을 기계적으로 혼합하여 시작합니다. 이를 통해 레이저 지향 에너지 증착 3D 프린팅 공정에 최적화된 불규칙한 모양의 입자를 얻을 수 있습니다.
TC4의 주요 인쇄 매개 변수
TC4의 프린팅 파라미터는 사용되는 특정 3D 프린팅 프로세스에 따라 다릅니다:
레이저 파우더 베드 융합
- 층 두께: 20-50μm
- 레이저 출력: 100-400W
- 스캔 속도: 800-1200mm/s
- 해치 간격: 80-200μm
- 인쇄 시 열 스트레스와 뒤틀림을 방지하기 위해 지지대가 필요합니다.
바인더 제팅
- 레이어 두께: 80-150μm
- 바인더 포화도: 90-100%
- 경화 온도: 180°C
- 최대 밀도를 달성하기 위해 인쇄 후 침투가 필요합니다.
직접 에너지 증착
- 분말 공급 속도: 3-12g/분
- 레이저 출력: 500-1000W
- 이동 속도: 5-25mm/s
- 다중 패스 및 스캐닝 전략을 사용하여 프로퍼티를 제어합니다.
3D 프린팅 TC4 부품의 응용 분야
TC4는 균형 잡힌 재료 특성 덕분에 다양한 산업 분야의 3D 프린팅에 사용됩니다:
항공우주
경량 구조 브래킷, 동체 부품, 터빈 블레이드, 열교환기 등 까다로운 항공 우주 부품을 TC4로 인쇄합니다.
의료용 임플란트
TC4의 생체 적합성을 통해 고관절 줄기, 척추 케이지, 두개골 판 및 치과 임플란트와 같은 환자별 임플란트를 3D 프린팅으로 제작할 수 있습니다.
자동차
피스톤, 터보차저, 밸브, 기어와 같은 경량 파워트레인, 엔진, 서스펜션 부품의 3D 프린팅은 점점 더 TC4로 제작되고 있습니다.
화학 처리
부식 방지 TC4는 교반기, 하우징, 밸브 및 부식성 화학 물질을 취급하는 기타 구성 요소를 인쇄하는 데 사용됩니다.
3D 프린팅 TC4와 기존 프로세싱의 이점
TC4 구성 요소의 적층 제조는 기존의 적층 방식에 비해 몇 가지 장점이 있습니다:
자유로운 디자인
3D 프린팅을 사용하면 격자, 내부 채널, 유기적 형상 등 쉽게 주조하거나 가공할 수 없는 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다.
무게 감소
경량화를 위해 설계를 최적화하고 필요한 만큼의 재료만 사용하여 더 가벼운 부품을 인쇄할 수 있습니다.
부품 통합
여러 구성 요소를 하나의 3D 프린팅 부품으로 통합하여 조립 요구 사항을 줄일 수 있습니다.
사용자 지정
환자별 임플란트, 제조 라인용 지그 및 픽스처, 디자인 반복을 툴링 없이 쉽게 맞춤 설정하고 인쇄할 수 있습니다.
낭비 감소
빌릿 가공에 비해 3D 프린팅에서 낭비되는 재료가 훨씬 적습니다.
리드 타임 단축
적층 공정은 기존 티타늄 부품 제조와 관련된 길고 비용이 많이 드는 툴링 및 설정을 피할 수 있습니다.
3D 프린팅 TC4의 과제
3D 프린팅 TC4가 새로운 문을 열었지만 여전히 몇 가지 과제가 남아 있습니다:
이방성 속성
인쇄된 TC4 부품의 특성은 레이어별 제작으로 인해 제작 방향에 따라 달라질 수 있습니다. 필요한 곳에 강도를 극대화하려면 방향을 최적화해야 합니다.
다공성 제어
최적화된 공정 파라미터가 없으면 전체 밀도 부족과 다공성 결함이 발생할 수 있습니다. 이를 위해서는 다양한 형상과 3D 프린팅 공정의 뉘앙스에 맞게 파라미터를 조정해야 합니다.
높은 비용
티타늄 합금을 사용하는 TC4 파우더와 3D 프린팅은 모두 다른 재료와 공정에 비해 비용이 많이 듭니다. 비용이 높기 때문에 더 폭넓게 채택되는 데 한계가 있습니다.
후처리
최종 치수, 표면 마감, 미관 및 정확한 미세 구조를 달성하기 위해 인쇄 후 상당한 가공 및 마감이 필요할 수 있습니다.
자격 기준
3D 프린팅 티타늄 부품의 자격 및 인증에 대한 산업별 코드와 표준은 계속 진화하고 발전하고 있습니다.
향후 전망
3D 프린팅 기술이 빠르게 발전함에 따라 TC4는 산업 전반에서 계속 사용량이 증가할 것입니다. 향후 트렌드는 다음과 같습니다:
프로세스 개선
레이저 파우더 베드 융합 및 지향성 에너지 증착과 같은 공정은 제작 속도, 부품 밀도, 재료 특성 및 표면 마감을 지속적으로 개선할 것입니다.
더 큰 구성 요소
파우더 베드 융합의 크기 제한은 빌드 볼륨이 커질수록 확장되어 항공 우주 및 기타 분야에서 더 큰 TC4 부품을 프린팅할 수 있게 됩니다.
하이브리드 제조
적층 및 감산 공정을 함께 사용하는 하이브리드 제조를 통해 복잡한 TC4 부품을 최소한의 리드 타임으로 효율적으로 생산할 수 있습니다.
새로운 애플리케이션
3D 프린팅은 스포츠 용품부터 경량 및 내식성의 이점을 지닌 해양용 하드웨어에 이르기까지 다양한 분야에서 TC4의 사용을 촉진할 것입니다.
디자인 소프트웨어 통합
설계 소프트웨어의 발전으로 시뮬레이션, 토폴로지 최적화, 서포트 생성 및 기타 도구가 긴밀하게 통합되어 적층 제조를 위한 원활한 설계가 가능해집니다.
비용 개선
채택률 증가, 공정 개선, 파우더 재사용 증가는 비용을 절감하여 3D 프린팅 TC4의 더 많은 애플리케이션을 경제적으로 실현할 수 있게 해줍니다.
요약
요약하면, Ti-6Al-4V 또는 TC4는 고강도, 저밀도, 내열성, 용접성 및 내식성 등의 특성을 최적으로 조합하여 항공우주, 의료, 자동차, 화학 및 기타 까다로운 산업 전반에서 중요한 부품의 3D 프린팅에 적합합니다.
3D 프린팅 기술이 급속도로 발전함에 따라 TC4는 점점 더 많은 적층 제조 부품과 고유한 기능을 활용하는 사용 사례에 선택되는 재료가 될 것입니다. 경제성, 공정 능력 및 응용 분야에 대한 이해도가 향상된 TC4는 3D 프린팅의 기본 재료이자 향후 혁신적인 부품 설계의 핵심 원동력이 될 것으로 예상됩니다.
자주 묻는 질문
TC4가 3D 프린팅에 적합한 이유는 무엇인가요?
TC4는 고강도, 저밀도, 내열성, 내식성, 생체 적합성과 같은 특성을 가지고 있어 항공우주, 의료 및 기타 응용 분야의 복잡하고 까다로운 부품을 3D 프린팅하는 데 이상적인 소재입니다.
TC4에 사용되는 주요 3D 프린팅 프로세스는 무엇인가요?
TC4의 가장 일반적인 3D 프린팅 공정은 레이저 파우더 베드 용융, 바인더 분사 및 지향성 에너지 증착입니다. 각 공정에는 특정 파우더 특성과 프린팅 파라미터가 필요합니다.
3D 프린팅 TC4 부품의 일반적인 응용 분야에는 어떤 것이 있나요?
TC4 부품은 항공우주 부품, 생체 의료 임플란트, 자동차 부품, 화학 장비, TC4의 특성을 활용하는 스포츠 용품과 같은 소비재를 포함한 다양한 응용 분야에 3D 프린팅됩니다.
3D 프린팅은 TC4의 기존 프로세싱과 어떻게 다른가요?
3D 프린팅 TC4는 기존 감산 제조의 설계 제약, 높은 구매 대 비행 비율, 긴 리드 타임과 같은 한계에 비해 더 가벼운 설계, 부품 통합, 맞춤화, 폐기물 감소, 빠른 생산을 가능하게 합니다.
TC4를 3D 프린팅할 때 어떤 어려움이 있나요?
이방성 기계적 특성, 다공성 결함, 높은 재료 및 공정 비용, 상당한 후처리 요구 사항, 진화하는 자격 표준 등이 주요 과제입니다. 추가적인 공정 개선과 개선은 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 될 것입니다.