열간 등방성 프레스(HIP) 3D 프린팅이란?

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소개

적층 제조라고도 하는 3D 프린팅은 제조와 디자인에 혁명을 일으켰습니다. 3D 프린팅은 낭비 없이 복잡한 형상을 빠르게 제작할 수 있는 전례 없는 기능을 제공합니다. 그러나 많은 3D 프린팅 부품은 프린팅 공정에 내재된 다공성 및 기타 결함으로 인해 기계적 특성이 좋지 않습니다.

열간 등방성 프레스(HIP) 3D 프린팅 부품에 고온과 등압을 가하여 밀도, 성능 및 신뢰성을 향상시키는 제조 공정입니다. 열과 압력의 조합으로 내부 공극을 막고 금속과 세라믹 내부의 결함과 입자를 융합할 수 있습니다.

따라서 3D 프린팅 후 HIP를 적용하면 프린팅된 부품의 특성이 향상되어 새로운 응용 분야와 향상된 성능을 구현할 수 있습니다. 3D 프린팅과 HIP의 시너지 효과는 설계의 복잡성과 고성능의 한계를 뛰어넘습니다.

열간 등방성 프레싱이란 무엇인가요?

열간 등방성 프레스는 금속, 세라믹, 폴리머 및 복합 재료의 다공성을 줄이고 밀도를 높이는 데 사용되는 고급 제조 공정입니다. HIP 공정에서 부품은 고압 밀폐 용기에서 고온과 등방성 압력을 모두 받습니다.

등방성은 모든 방향에서 동시에 균일한 압력이 가해지는 것을 의미합니다. 이는 부품의 표면에 압력을 고르게 전달하는 불활성 가스, 액체 또는 유리 구슬로 부품을 둘러싸서 이루어집니다.

열과 압력을 동시에 가하면 소재의 내부 기공과 공극이 닫히면서 부품이 치밀화됩니다. 치밀화는 선택한 온도에서 재료의 점탄성 특성과 기공이 얼마나 쉽게 변형되어 입자 사이의 간극을 제거할 수 있는지에 따라 달라집니다.

일반적인 HIP 프로세스에는 다음이 포함됩니다:

압력 밀폐 용기에 부품 배치하기
공기를 배출하고 아르곤과 같은 불활성 가스로 다시 채우기
공정 온도까지 가열(보통 1900~2200°F(1040~1200°C) 사이)
최대 30,000 PSI(200 MPa)의 등방성 압력 적용
릴리스 및 제거 전 압력으로 냉각

HIP 공정은 재료를 확산시켜 내부 기공을 막고 내부 공극을 최소화하거나 제거하며 내부 결함을 금속학적으로 접합합니다. 이를 통해 항공우주, 방위, 자동차, 에너지와 같은 산업 전반에서 제조 부품의 품질, 성능, 신뢰성을 개선합니다.

열간 등방성 프레스는 3D 프린팅 부품을 어떻게 향상시킬 수 있나요?

선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)과 같은 대부분의 금속 3D 프린팅 기술은 어느 정도의 다공성을 가진 부품을 제작합니다. 이는 금속 분말로 부품을 한 층씩 쌓아 올려야 하는 특성 때문입니다.

파우더 입자와 인접한 고형화 층 사이에 최대 100μm의 미세 균열 및 미세 기공과 같은 결함이 형성됩니다. 부품은 사용된 재료와 프린팅 파라미터에 따라 최대 5%의 다공성을 가질 수 있습니다.

이러한 본질적인 다공성은 몇 가지 문제를 야기합니다:

피로 강도 및 파단 인성과 같은 기계적 특성이 심각하게 감소합니다.
누출 경로가 생성되어 부품이 누출 테스트에 실패하는 경우
특히 유체 흐름 및 가압 시스템의 경우 기능 성능이 저하됩니다.
기공을 따라 침투하여 내식성 및 화학적 호환성이 저하됩니다.
후속 열처리 과정에서 기공이 계속 커질 수 있으므로 치수 정확도가 저하됩니다.
표면 근처의 기공이 응력 집중 장치로 작용하여 표면 마감 품질이 저하됩니다.

열간 등방성 프레스는 이러한 기공을 제거하여 3D 프린팅 금속의 재료 및 성능 특성을 크게 향상시킵니다. HIP가 달성합니다:

밀도 증가 내부 공극과 틈을 메워 재료를 금속학적으로 결합하여 100% 밀도에 도달합니다.
향상된 기계적 특성 결함으로 인한 응력 집중을 제거하여 강도, 연성 및 파단 저항성을 향상시킵니다.
누수 방지 구조 유체가 재료를 통해 누출되는 미세한 경로를 차단합니다.
표면 마감 개선 표면 근처의 모공을 분쇄하여 표면의 매끄러움을 개선합니다.
치수 안정성 향후 열처리 과정에서 모공의 지속적인 성장을 방지합니다.
더 높은 신뢰성 인쇄된 부품의 품질과 일관성을 개선하기 위해 결함을 제거합니다.

따라서 HIP는 금속 3D 프린팅의 주요 한계를 극복하여 고성능 최종 사용 부품 생산을 가능하게 합니다.

3D 프린팅 부품을 위한 HIP 프로세스

적층 제조 부품의 일반적인 HIP 프로세스에는 다음이 포함됩니다:

HIP 캔 및 씰링

3D 프린팅된 부품은 세라믹 또는 유리 비드 필러와 함께 일반적으로 유리, 강철 또는 알루미늄으로 만들어진 HIP 캔 안에 배치됩니다. HIP 캔은 압력에 대해 부품을 지지하고 모든 표면에 압력을 고르게 전달합니다.

그런 다음 뚜껑을 용접하거나 압착하여 캔을 밀폐합니다. 이렇게 하면 나중에 압력을 가하는 데 사용되는 불활성 가스가 유지됩니다. 또한 캔은 HIP 공정 중 오염을 방지합니다.

가스 제거

HIP 캔 어셈블리는 고압 밀폐 용기에 배치됩니다. 이 용기를 밀봉하고 펌핑하여 진공을 만듭니다. 진공은 HIP 중에 산화를 일으킬 수 있는 공기와 수분을 제거합니다.

그런 다음 용기를 아르곤과 같은 불활성 가스로 다시 채워서 부품을 둘러쌉니다. 불활성 대기는 가열 중 화학 반응을 방지합니다.

난방 및 가압

용기는 금속의 일반적인 HIP 온도인 1900~2200°F(1040~1200°C)까지 제어된 속도로 가열됩니다. 가열하면 재료의 확산 및 크리프 메커니즘이 활성화되어 기공을 닫는 데 도움이 됩니다.

온도에 도달하면 불활성 가스를 사용하여 최대 15,000~30,000 PSI(100~200 MPa)의 고압이 등압적으로 가해집니다. 이 압력은 내부 공극을 축소하고 재료를 밀어내어 틈새를 채웁니다.

냉각 및 릴리스

온도와 압력에서 미리 정해진 시간(일반적으로 3~6시간)이 지나면 용기는 제어된 속도로 냉각됩니다. 냉각하는 동안 압력이 유지되어 완전한 밀도화를 가능하게 합니다.

냉각되면 압력이 서서히 방출됩니다. HIP 캔을 제거하고 열어 처리된 부품을 회수합니다. 추가 가공을 통해 원래 치수를 복구할 수 있습니다.

3D 프린팅 부품을 위한 HIP의 이점

HIP를 사용하여 3D 프린팅한 금속을 후처리할 때의 주요 이점:

밀도 증가

HIP는 보이드와 확산 본딩 층을 축소하여 프린트된 금속의 밀도를 100% 달성합니다. 이를 통해 하중을 견디는 구조와 누출 방지 시스템의 무결성을 개선합니다.

더 높은 강도

미세 균열 및 기공과 같은 결함을 제거하면 응력 집중을 제거할 수 있습니다. 이렇게 하면 강도와 연성이 기존 가공 재료에 가깝게 증가합니다.

표면 마감 개선

표면 근처의 미세한 공극을 분쇄하여 더 매끄러운 표면을 만들어 마감과 외관을 개선합니다. 이는 또한 피로 저항성을 향상시킵니다.

치수 안정성

후속 열처리 과정에서 기공이 커지지 않고 축소됩니다. 이를 통해 치수 정확도와 기하학적 허용 오차가 개선됩니다.

더 큰 부품

HIP를 사용하면 다른 기술로는 불가능한 대형 부품의 3D 프린팅 및 통합이 가능합니다. 최대 직경 50인치의 부품을 제작할 수 있습니다.

자유로운 디자인

HIP는 복잡한 형상의 부품에 대한 3D 프린팅의 설계 자유도를 유지합니다. 인쇄 금속의 적용 범위를 중요한 구조 및 유체 처리 용도로 확대합니다.

리드 타임 단축

3D 프린팅과 HIP를 결합하면 기존의 다단계 공정에 비해 제조 일정을 단축할 수 있습니다. 복잡한 고성능 부품을 신속하게 생산할 수 있습니다.

3D 프린팅 부품에 HIP를 사용하는 산업

HIP는 주요 산업 전반에 걸쳐 견고한 최종 사용 애플리케이션을 위한 3D 프린팅 금속 부품을 개선하는 데 활용됩니다:

항공우주

HIP는 터빈 블레이드, 로켓 엔진 노즐, 위성 브래킷 등 인쇄된 항공우주 부품의 밀도, 강도 및 표면 마감을 개선합니다. 이를 통해 극한의 기계적 하중과 온도 저항을 견딜 수 있는 가볍고 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다.

의료

고관절 및 뼈 스캐폴드와 같은 의료용 임플란트는 내부 공극을 완전히 제거하기 위해 3D 프린팅 후 HIP 가공합니다. 이를 통해 체내 이식 시 생체 적합성과 피로 저항성이 향상됩니다.

자동차

HIP는 터보차저 및 유체 처리 실린더와 같은 3D 프린팅 자동차 부품에 적용됩니다. 이를 통해 주기적인 압력과 하중을 견딜 수 있는 100% 누출 방지 구조를 제공합니다.

방어

방위 산업에서는 미사일 케이스와 금형용 컨포멀 냉각 채널과 같은 인쇄 부품을 생산하는 데 HIP를 사용합니다. HIP를 사용하면 탄도 충격에 견딜 수 있는 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다.

에너지

원자력, 석유 시추 및 기타 에너지 애플리케이션의 경우 HIP는 극한의 압력과 온도에서 파손 저항성을 위해 인쇄 부품의 완벽한 밀도화를 보장합니다.

3D 프린팅이 산업 전반으로 확장됨에 따라 HIP는 향상된 성능, 신뢰성 및 일관성을 제공하기 위해 함께 성장할 것입니다.

열간 등방성 프레스 3D 프린팅 — 열간 등방성 프레스(HIP) 3D 프린팅이란?

3D 프린팅 부품의 HIP용 재료

HIP는 상업용 3D 프린팅에 사용되는 다양한 금속 및 합금에 대해 입증되었습니다:

티타늄 및 티타늄 합금 Ti-6Al-4V와 같은 소재는 항공우주 분야에서 인기가 높습니다. HIP는 100% 밀도를 달성하고 피로 성능을 개선합니다.
알루미늄 합금 같은 AlSi10Mg를 인쇄하고 HIP 처리하여 티타늄을 대체할 수 있는 더 가벼운 티타늄을 만들 수 있으며, 비슷한 특성이 향상되었습니다.
니켈 기반 초합금 인코넬 718 및 625와 같은 소재는 제트 엔진과 가스 터빈에 널리 사용됩니다. HIP는 고온에서 강도를 유지하면서 결함을 제거합니다.
스테인리스 스틸 316L 및 17-4PH를 비롯한 여러 산업 분야에서 견고하고 내식성이 강한 부품을 인쇄하는 데 일반적으로 사용됩니다. HIP는 다공성을 제거하여 구조적 무결성을 향상시킵니다.
공구강 H13 및 D2와 같은 경도는 컨포멀 냉각 채널이 있는 금형과 같이 내구성이 뛰어난 툴링을 인쇄할 수 있도록 HIP 후 뛰어난 경도를 제공합니다.
내화성 금속 텅스텐, 탄탈륨, 몰리브덴을 포함한 금속은 본질적으로 다공성이지만 HIP로 완전히 치밀화할 수 있습니다.
코발트-크롬 합금 3D 프린팅 후 고관절 성형 시 정형외과용 임플란트에 뛰어난 내마모성을 제공합니다.

표준 합금과 맞춤형 합금은 모두 기능을 확장하기 위해 HIP와 결합된 적층 제조에 대한 인증을 지속적으로 받고 있습니다.

HIP 프로세스 매개변수

다양한 3D 프린팅 부품에 맞게 최적화할 수 있는 주요 HIP 프로세스 파라미터는 다음과 같습니다:

온도 – 일반적인 범위는 1850~2200°F입니다. 온도가 높을수록 확산 속도가 빨라져 모공이 더 빨리 닫힙니다. 그러나 과도한 온도는 미세 구조 변화를 일으킬 수 있습니다.
압력 15,000-30,000 PSI의 표준 압력이 사용됩니다. 압력이 높을수록 낮은 온도에서 기공이 붕괴됩니다. 그러나 너무 높은 압력은 표면 마감을 손상시킬 수 있습니다.
시간 최고 온도와 압력에서 3~6시간의 표준 유지 시간. 시간이 길어질수록 밀도가 높아지지만 비용이 증가합니다.
난방/냉방 요금 - 가열 속도가 빠르면 생산성이 향상되지만 왜곡의 위험이 있습니다. 50~100°F/분으로 느리게 가열하고 냉각하면 열 부담을 피할 수 있습니다.
체류 시간 - 최고 온도에서 유지하면 충분한 확산 결합이 가능합니다. 시간이 짧으면 불완전한 치밀화의 위험이 있습니다.

HIP 공정 파라미터는 특정 3D 프린팅 합금 구성, 부품 형상, 파우더 크기 및 필요한 재료 특성에 맞게 최적화됩니다.

3D 프린팅 부품에 HIP를 사용할 때의 어려움

HIP는 상당한 이점을 제공하지만 몇 가지 제한 사항과 과제가 존재합니다:

수정된 치수 HIP는 2~5% 수축을 유발할 수 있습니다. 치수를 복구하기 위해 HIP 후 부품을 다시 가공해야 할 수도 있습니다.
표면 마감 HIP는 AM보다 표면 거칠기를 줄일 수 있지만 가장 매끄러운 표면 마감을 얻지 못할 수도 있습니다. 추가 연마가 필요할 수 있습니다.
기하학적 제한 HIP 캔은 최대 파트 크기를 제한합니다. 매우 복잡한 형상은 HIP 비드로 균일하게 채우기가 어려울 수 있습니다.
비용 HIP는 기존 열처리에 비해 상당한 비용이 추가됩니다. 경제적 이점은 투자를 정당화하는 성능 향상에 달려 있습니다.
프로세스 개발 결함 없이 완전한 치밀화를 보장하기 위해 사용되는 각 특정 합금 조성, 분말 크기 및 AM 공정에 대해 최적의 HIP 프로토콜을 개발해야 합니다.

더 많은 연구와 프로세스 개선은 기하학적 자유도, 표면 품질, 처리 시간 및 비용 효율성을 높이기 위해 HIP를 적용하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

HIP와 3D 프린팅의 미래

HIP는 항공우주, 의료, 자동차 및 방위 분야의 고부가가치 핵심 애플리케이션에 3D 프린팅 금속을 검증할 수 있는 기술임이 입증되었습니다.

3D 프린팅이 프로토타입 제작에서 본격적인 생산으로 확대됨에 따라 HIP는 구조적 무결성과 성능이 높은 부품에 의존하는 산업에 매우 중요해질 것입니다. 자동화, 처리 시간 및 비용의 개선으로 두 기술의 채택이 증가할 것으로 예상됩니다.

AM을 지원하기 위한 HIP의 새로운 개발 사항에는 다음이 포함됩니다:

더 빠른 사이클링 시간 새로운 가열 방식과 빠른 냉각으로 일반적인 HIP 사이클을 6시간 이상에서 3시간 이내로 단축하는 것이 목표입니다. 이를 통해 처리량이 향상됩니다.
더 큰 빌드 볼륨 최대 직경 50인치의 대형 인쇄 부품을 수용할 수 있는 봉쇄 용기가 증가하고 있습니다. 이로 인해 기능이 확장됩니다.
하이브리드 HIP 냉각 속도를 제어하거나 현장 열처리를 통해 특성을 더욱 최적화할 수 있는 특수 HIP 사이클이 개발되고 있습니다.
품질 보증 HIP용 인라인 모니터링 및 검사 도구는 치밀화 특성을 분석하고 부품 품질을 검증하는 데 도움이 됩니다.
모델링 도구 시뮬레이션 소프트웨어는 HIP의 왜곡 및 속성 개선에 대한 더 나은 예측을 가능하게 합니다.

3D 프린팅과 HIP의 시너지 발전은 핵심 산업 전반에 걸쳐 복잡한 고성능 부품을 설계하고 효율적으로 제조할 수 있는 새로운 길을 열어줄 것입니다.

HIP 및 3D 프린팅에 대한 주요 시사점

열간 등방성 프레스(HIP)는 고온과 균일한 압력을 가해 3D 프린팅된 금속의 내부 공극을 축소하여 밀도, 성능 및 신뢰성을 개선합니다.
HIP는 파우더 베드 융합 3D 프린팅 공정에 내재된 미세 균열과 같은 다공성 결함을 제거합니다.
3D 프린팅용 HIP의 주요 이점으로는 밀도 증가, 강도 향상, 표면 마감 개선, 치수 안정성 및 디자인 개선 등이 있습니다.
HIP는 항공우주, 의료, 자동차 및 방위 애플리케이션을 위한 경량 설계, 복잡한 형상, 혁신적인 컨포멀 기능을 지원합니다.
자동화, 속도 및 비용이 개선됨에 따라 생산 환경 전반에서 금속 3D 프린팅의 품질과 기능을 향상시키기 위해 HIP를 점점 더 많이 채택할 것입니다.

자주 묻는 질문

3D 프린팅에서 열간 등방성 프레스는 어떤 용도로 사용되나요?

열간 등방성 프레싱(HIP)은 3D 프린팅 금속 부품의 후처리 방법으로 사용됩니다. HIP는 고온과 등방성 압력을 가해 공극을 축소하고 부품을 조밀하게 만들어 다공성 결함을 제거하는 데 도움이 됩니다. 이를 통해 적층 제조 부품의 밀도, 성능 및 신뢰성이 향상됩니다.

HIP는 3D 프린팅 금속의 특성을 어떻게 향상시키나요?

HIP는 여러 가지 방식으로 3D 프린팅 금속의 특성을 향상시킵니다:

확산 본딩 층과 내부 간격을 좁혀 밀도를 100%에 가깝게 증가시킵니다.
미세 균열과 모공을 제거하여 피로 수명과 강도를 크게 향상시킵니다.
표면 근처의 결함을 분쇄하여 우수한 표면 마감 제공
열처리 중 추가 보이드 성장을 방지하여 치수 안정성 향상
더 크고 복잡한 형상을 인쇄하고 통합할 수 있습니다.

3D 프린팅 후 어떤 유형의 소재를 HIP할 수 있나요?

파우더 베드 융착 방식으로 프린트된 대부분의 합금은 HIP가 가능합니다:

Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금
인코넬 718 및 625와 같은 니켈 초합금
316L 및 17-4PH를 포함한 스테인리스강
AlSi10Mg와 같은 알루미늄 합금
H13 및 D2와 같은 공구강
의료용 코발트 크롬 합금
텅스텐 및 탄탈륨과 같은 내화성 금속

표준 합금과 맞춤형 합금 모두 적층 제조 및 HIP에 대한 인증을 지속적으로 받고 있습니다.

어떤 산업에서 3D 프린팅 부품에 HIP를 사용하나요?

3D 프린팅 부품 후처리에 HIP를 사용하는 주요 산업 분야는 다음과 같습니다:

항공 우주 &8211; 터빈 블레이드, 로켓 노즐
의료 &8211; 고관절과 같은 정형외과 임플란트
자동차 - 유체 처리 부품, 터보차저
방어 - 미사일 탄피, 갑옷
에너지 &8211; 원자력, 석유 및 가스 산업용 부품

3D 프린팅이 여러 분야로 확대됨에 따라 고성능 최종 사용 부품 생산을 위해 HIP 도입이 증가할 것입니다.

3D 프린팅 부품의 HIP 프로세스는 어떻게 작동하나요?

3D 프린팅 부품의 일반적인 HIP 프로세스의 주요 단계는 다음과 같습니다:

부품은 필러 미디어와 함께 HIP 캔에 동봉됩니다.
캔을 밀봉하여 HIP 용기에 넣습니다.
용기를 비우고 불활성 가스로 다시 채운 다음 1900~2200°F까지 가열합니다.
최대 30,000PSI의 등방압이 적용됩니다.
최고 온도 및 압력에서의 체류 시간으로 부품 밀도 증가
용기는 압력 하에서 냉각된 후 방출됩니다.

HIP 파라미터는 필요한 특정 부품 합금, 형상 및 속성에 맞게 조정됩니다.

3D 프린팅 부품에 HIP를 사용할 때 어떤 어려움이 있나요?

몇 가지 주요 과제는 다음과 같습니다:

재가공이 필요한 최대 5% 수축의 치수 변화
HIP 용기 용량에 따른 최대 부품 크기 제한
복잡한 지오메트리를 위한 비균일 밀도화
6시간 이상의 긴 프로세스 주기
기존 열처리보다 높은 비용
다양한 합금 시스템에 최적화된 프로토콜 개발