티타늄 적층 제조 개요
티타늄 적층 제조티타늄 3D 프린팅이라고도 하는 3D 프린팅은 3D 모델 데이터에서 직접 티타늄 부품을 레이어별로 제작하는 데 사용되는 다양한 적층 제조 기술을 말합니다. 이를 통해 기존 방법으로는 제조가 불가능하거나 비용이 많이 드는 기하학적 자유도가 높은 복잡한 티타늄 부품을 제작할 수 있습니다.
티타늄은 높은 중량 대비 강도, 내식성, 생체 적합성, 고온 성능으로 인해 적층 제조에 이상적인 소재입니다. 그러나 적층 기술을 사용하여 티타늄을 가공할 때는 화학적 반응성과 이방성 재료 특성으로 인해 몇 가지 고유한 과제가 있습니다.
티타늄 적층 제조에 대한 몇 가지 주요 세부 정보입니다:
- 티타늄에 일반적으로 사용되는 3D 프린팅 방법은 선택적 레이저 용융(SLM), 전자빔 용융(EBM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS)입니다.
- Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금이 가장 널리 사용되지만 상업적으로 순수한 티타늄 및 기타 합금도 인쇄할 수 있습니다.
- 격자 구조나 얇은 벽으로 이루어진 형상과 같이 가볍고 복잡한 부품을 제작할 수 있습니다.
- 그물 모양에 가까운 부품을 생산하여 감산 방식에 비해 낭비와 비용을 줄입니다.
- 어셈블리를 하나의 인쇄 부품으로 유연하게 설계하고 통합할 수 있습니다.
- 원하는 마감과 재료 특성을 얻기 위해 열간 등방성 프레스(HIP) 및 기계 가공과 같은 후처리가 필요한 경우가 많습니다.
- 티타늄은 단조, 주조 및 단조 티타늄과 비슷하거나 더 우수한 특성을 갖지만 이방성이 우려됩니다.
- 적용 분야에는 항공우주, 의료용 임플란트, 자동차, 화학 플랜트 등이 있습니다.
- 기존 제조 방식보다 비용이 높지만 소규모 배치 크기와 복잡한 부품에는 경제적입니다.
티타늄 적층 제조 공정의 유형
| 프로세스 | 설명 | 특성 |
|---|---|---|
| 선택적 레이저 용융(SLM) | 레이저를 사용하여 금속 분말 입자를 층별로 선택적으로 녹이고 융합합니다. | 가장 일반적이고 성숙한 기술 <br> 우수한 정확도와 표면 마감 <br> 인쇄 부품의 낮은 다공성 |
| 전자 빔 용융(EBM) | 전자 빔을 열원으로 사용하여 재료를 녹입니다. | 비교적 빠른 빌드 속도 <br> SLM에 비해 부품의 다공성이 더 높습니다. <br> 전도성 재료만 처리 가능 |
| 직접 금속 레이저 소결(DMLS) | 레이저를 사용하여 분말 입자를 소결하고 완성된 부품을 만듭니다. | 높은 정확도와 디테일 해상도 <br> 침투가 필요한 약간 다공성 부품 |
| 지향성 에너지 증착(DED) | 열 에너지를 집중하여 증착되는 동안 녹여 재료를 융합합니다. | 주로 완전한 부품이 아닌 기능 추가 및 수리에 사용됩니다. <br> 빌드 속도는 빨라지지만 정확도는 낮아집니다. |
티타늄 적층 제조의 응용 분야
| 산업 | 용도 및 예시 |
|---|---|
| 항공우주 | 유압 매니폴드, 밸브, 하우징, 브래킷과 같은 항공기 및 엔진 구성품 |
| 의료 | 치과 및 정형외과 임플란트, 수술 기구 |
| 자동차 | 매니폴드, 터보차저 휠과 같은 경량 부품 |
| 화학 | 파이프, 밸브, 펌프와 같은 부식 방지 유체 취급 부품 |
| 방어 | 차량 및 무기용 경량 하중 지지 부품 |
| 일반 엔지니어링 | 산업 전반의 소량 맞춤형 부품 |
티타늄 적층 제조 사양
| 매개변수 | 일반적인 값 |
|---|---|
| 레이어 두께 | 20 &8211; 100 μm |
| 최소 피처 크기 | ~100μm |
| 표면 거칠기, Ra | 10 &8211; 25 μm, 오버행이 더 높음 |
| 볼륨 구축 | 50 x 50 x 50mm ~ 500 x 500 x 500mm |
| 정밀도 | 치수 기준 ± 0.1% ~ ± 0.2% |
| 다공성 | 0.5 &8211; SLM의 경우 1%, EBM의 경우 최대 5% |
| 마이크로 구조 | 알파 래스가 있는 미세한 원주형 이전 베타 입자 |
티타늄 AM 부품의 설계 고려 사항
- 부품 방향을 최적화하여 지지대를 줄이고 오버행 방지
- 지지대를 피하려면 45°보다 큰 자체 지지 각도를 사용하세요.
- 얇은 벽(≤ 1mm)에는 더 높은 레이저 강도와 스캔 속도가 필요합니다.
- 최소 구멍 직경은 1mm 이상이어야 합니다.
- 파우더 제거를 위해 내부 채널은 2mm 이상이어야 합니다.
- 부분적으로 속이 빈 밀폐된 볼륨을 피하십시오.
- 하중을 견디는 부품에 충분한 벽 두께(2~4mm)를 확보합니다.
- 가공, 드릴링, 연마 등과 같은 후처리를 허용합니다.
티타늄 적층 제조 표준
| 표준 | 설명 |
|---|---|
| ASTM F3001 | 분말 베드 융합을 통한 적층 제조 티타늄-6 알루미늄-4 바나듐 ELI(엑스트라 로우 인터스티셜) 표준 사양 |
| ASTM F2924 | 분말 베드 융합을 통한 티타늄-6 알루미늄-4 바나듐 적층 제조 표준 사양 |
| ASTM F3184 | 분말 베드 융합을 통한 적층 제조 스테인리스강 표준 사양 |
| ISO/ASTM 52921 | 적층 제조 표준 용어 & 8211; 좌표계 및 테스트 방법론 |
| ASME BPVC 섹션 IX | 적층 제조 자격을 위한 보일러 및 압력 용기 코드 |
티타늄 적층 제조 시스템 공급업체
| 공급업체 | 프린터 모델 | 시작 가격 범위 |
|---|---|---|
| EOS | EOS M 100, EOS M 290, EOS M 400 | $200,000 – $1,500,000 |
| SLM 솔루션 | SLM® 125, SLM® 280, SLM® 500, SLM® 800 | $250,000 – $1,400,000 |
| 3D Systems | ProX® DMP 200, ProX® DMP 300, ProX® DMP 320 | $350,000 – $1,250,000 |
| GE 애디티브 | 컨셉 레이저 M2, M2 멀티레이저, M2 듀얼 레이저 | $400,000 – $1,200,000 |
| Velo3D | 사파이어, 사파이어 XC | $150,000 – $600,000 |
가격은 제작량, 레이저 출력 및 추가 기능에 따라 다릅니다. 추가 비용에는 설치, 교육, 재료 및 후처리 비용이 포함됩니다.
티타늄 프린터의 운영 및 유지보수
- 제조업체의 사용 설명서 및 안전 주의 사항을 확인하고 준수하세요.
- 레이저 출력과 빔 품질을 유지하기 위해 광학 시스템과 미러를 청소합니다.
- 주기적으로 레이저 및 스캐닝 시스템 보정 수행
- 생산 빌드를 시작하기 전에 테스트 프린트를 수행하여 파트 품질 확인
- 인쇄 매개변수에 대한 표준 운영 절차(SOP) 개발
- 티타늄 분말을 불활성 환경에서 올바르게 보관하고 취급하세요.
- 응축된 물질을 제거하고 오염을 방지하기 위해 정기적으로 빌드 챔버를 청소합니다.
- 리니어 가이드에 그리스를 바르고, 패스너를 조이고, 필터를 교체하는 등의 예방적 유지보수를 수행합니다.
티타늄 적층 제조 공급업체/서비스 국 선택하기
| 고려 사항 | 세부 정보 |
|---|---|
| 경험 및 전문성 | 다년간의 경험, 숙련된 운영자, 금속 3D 프린팅 전문성 |
| 프린터 모델 및 사양 | 빌드 볼륨, 정확도, 재료 등을 평가합니다. |
| 품질 인증 | ISO 9001, ISO 13485, Nadcap 인증 |
| 자료 가용성 | 티타늄 합금, 입자 크기, 맞춤형 합금의 범위 |
| 후처리 기능 | 디바인딩, HIP, 가공, 연마, 코팅 |
| 부품 테스트 및 검증 | 기계 테스트, NDT, 금속 측정 |
| 디자인 지원 | 토폴로지 최적화, AM 가이드라인을 위한 설계 |
| 생산 능력 | 배치 크기, 리드 타임, 확장성, 중복 용량 |
| 비용 | 기계 시간당 요금, 재료 가격, 추가 요금 |
| 고객 참조 및 리뷰 | 기존 고객의 서비스 품질에 대한 피드백 |
티타늄 적층 제조의 장단점
| 장점 | 제한 사항 |
|---|---|
| 복잡하고 가벼운 지오메트리 가능 | 대량 생산 시 기존 제조 방식보다 높은 비용 발생 |
| 어셈블리 통합 및 부품 수 감소 | 기계 가공보다 낮은 치수 정확도 및 표면 마감 |
| 소량 배치의 리드 타임 단축 | 원하는 속성을 얻기 위해 후처리가 필요한 경우가 많습니다. |
| 재료 낭비 감소 | 이방성 재료 특성 및 잔류 응력 |
| 디자인 반복의 유연성 | 프린터 빌드 볼륨에 따른 크기 제한 |
| 적시 제조 | 복잡한 내부 채널의 파우더 제거 어려움 |
| 부품 사용자 지정 및 개인화 | 열간 등방성 프레스가 필요한 재료의 다공성 |
티타늄 부품을 위한 금속 사출 성형과 적층 제조의 차이점
| 매개변수 | 금속 사출 성형 | 적층 제조 |
|---|---|---|
| 프로세스 | 미세 금속 분말과 바인더의 혼합, 사출 성형, 디바인딩 및 소결 과정 | 레이저 또는 전자빔을 사용하여 티타늄 분말을 층층이 융합하여 직접 부품을 제작합니다. |
| 부품 복잡성 | 간단한 2.5 D 지오메트리만 가능 | 격자와 같은 매우 복잡한 모양을 인쇄할 수 있습니다. |
| 부품 크기 | 최대 몇 인치 | 빌드 볼륨에 따라 제한되며 일반적으로 20인치 미만 |
| 정확성 | 허용 오차가 ±0.5%로 매우 높습니다. | 보통, 치수 기준 ±0.2% 정도 |
| 표면 마감 | 성형 공정으로 인한 우수성 | 추가 후처리가 필요한 열악한 표면 |
| 기계적 특성 | 등방성, 잔류 응력 감소 | 이방성 특성, 높은 잔류 응력 |
| 소재 옵션 | 제한된 합금 및 혼합물 | 광범위한 티타늄 등급 및 맞춤형 합금 |
| 설정 비용 | 높은 초기 툴링 투자 비용 | 시작 비용 절감 |
| 생산 수량 | 대용량, 최대 수백만 대까지 | 10~10,000개 단위의 소규모 배치에 최적화됨 |
| 리드 타임 | 툴링 제조에 소요되는 리드 타임 연장 | 기능 부품 개발 시간 단축, 신속한 설계 반복 작업 |
티타늄 AM을 위한 선택적 레이저 용융(SLM)과 전자빔 용융(EBM)의 비교
| 매개변수 | 선택적 레이저 용융(SLM) | 전자 빔 용융(EBM) |
|---|---|---|
| 열원 | 집속 레이저 빔 | 고출력 전자빔 |
| 분위기 | 불활성 아르곤 가스 | 진공 |
| 열 입력 | 레이저를 통한 고도로 국소화된 입력 | 대형 전자빔의 더 넓은 입력 |
| 정확성 | 더 미세한 레이저 스폿 크기로 인해 더 높음 | 10-100 μm 낮추기 |
| 표면 마감 | 더 매끄러운 표면, 더 쉬운 연마 | 더욱 입자가 고르고 다공성인 표면 마감 |
| 빌드 속도 | 느림, 약 5-20cm3/시간 | 최대 45cm3/시간까지 더 빨라짐 |
| 사용된 합금 | Ti-6Al-4V, 상업적으로 순수한 Ti, 기타 | 주로 Ti-6Al-4V |
| 비용 | 높은 장비 및 운영 비용 | 소유 비용 절감 |
| 다공성 | 낮은 다공성, 약 0.5% | 약 5%의 높은 다공성 |
| 마이크로 구조 | 알파 래스로 이전 베타 입자 미세화 | 더 거친 베타 입자 및 침상 알파; 마르텐사이트 |
| 후처리 | 열처리 필요성 감소 | 다공성을 줄이기 위해 종종 필요한 HIP |
| 기계적 특성 | 더 높은 강도와 연성 | 이방성이 높을수록 강도는 낮아집니다. |
| 애플리케이션 | 항공우주, 의료용 임플란트, 자동차 | 항공우주, 바이오메디컬 |
요약하면, SLM은 더 나은 정확도와 표면 마감을 제공하는 반면, EBM은 제작 속도가 더 빠르다는 장점이 있습니다. 층별 용융 공정은 두 방법 모두에서 잔류 응력과 이방성 재료 특성을 유도합니다.
자주 묻는 질문
Q. 적층 제조에 일반적으로 사용되는 티타늄 합금은 무엇인가요?
A. Ti-6Al-4V는 가장 널리 사용되는 티타늄 합금으로 티타늄 AM의 50% 이상을 차지합니다. 다른 합금으로는 상업적으로 순수한 2등급 및 4등급 티타늄인 Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 등이 있습니다.
Q. 적층 제조된 티타늄 부품에는 일반적으로 어떤 유형의 후처리가 필요하나요?
A. 일반적으로 원하는 치수 정확도, 표면 마감 및 재료 특성을 달성하려면 열간 등방성 프레스(HIP), 열처리, 표면 가공, 드릴링, 연마 및 코팅 적용과 같은 후처리 단계가 필요합니다.
Q. 적층 제조 티타늄의 기계적 특성은 단조 티타늄 및 주조 티타늄과 어떻게 다른가요?
A. AM 티타늄 부품은 단조 및 주조 티타늄의 인장 강도 및 피로 강도와 일치하거나 초과할 수 있습니다. 그러나 AM 티타늄은 기존 방식과 달리 적층 제조로 인해 특성이 이방성을 나타냅니다.
Q. 적층 제조 티타늄의 피로 성능을 개선하기 위해 사용되는 방법에는 어떤 것이 있나요?
A. 열간 등방성 프레스(HIP), 샷 피닝, 화학적 에칭, 기계 가공 및 기타 후처리 단계를 적용하여 압축 응력을 유도하고 표면 결함을 제거하며 미세 구조를 개선함으로써 피로 성능을 향상시킬 수 있습니다.
Q. 적층 제조는 기존 방식에 비해 티타늄 부품의 비용을 절감할 수 있나요?
A. 소량 생산의 경우 적층 가공은 빌릿 가공에 비해 상당한 비용 절감 효과를 제공합니다. 대량 생산의 경우 분말 재료의 높은 비용으로 인해 적층 가공은 여전히 주조나 단조보다 비쌉니다.
Q. AM 티타늄의 표면 거칠기는 CNC 가공과 어떻게 비교되나요?
A. 아스 프린트된 티타늄 부품은 1μm Ra 미만을 달성할 수 있는 가공된 표면에 비해 표면 거칠기가 10-25μm Ra로 더 높습니다. 더 매끄러운 표면 마감이 필요한 경우 추가 후처리가 필요합니다.
Q. 티타늄 파우더를 취급할 때 어떤 안전 예방 조치가 필요한가요?
A. 티타늄 분말은 산화를 방지하기 위해 불활성 환경에 보관해야 합니다. 취급 절차는 먼지 발생과 흡입을 방지해야 합니다. 기계의 파우더 컴파트먼트는 불활성 가스 퍼징과 O2 모니터링이 필요합니다.
Q. 적층 가공을 통해 강철 대신 티타늄 부품을 제조하면 어떤 이점이 있나요?
A. AM 티타늄은 강철에 비해 우수한 중량 대비 강도를 제공합니다. 또한 내식성, 생체 적합성 및 고온 성능이 우수하여 항공우주, 의료 및 자동차 용도에 적합합니다.
Q. 제작 방향이 AM 티타늄 부품의 특성과 품질에 어떤 영향을 미치나요?
A. 제작 방향은 잔류 응력, 표면 마감, 기하학적 정확도, 강도 및 연성과 같은 기계적 특성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 부품은 종종 서포트 구조를 최소화하기 위해 방향을 지정합니다.
Q. 티타늄으로 적층 제조용 부품을 설계할 때 고려해야 할 주요 사항은 무엇인가요?
A. 주요 설계 고려 사항에는 돌출부 최소화, 빌드 지지대 통합, 벽 두께 0.8~4mm 유지, 미분말 제거를 위한 접근 구멍 허용, 후처리 요건 고려 등이 있습니다.
결론
적층 제조는 복잡한 티타늄 부품을 기존 방식에 비해 실용적이고 경제적으로 생산할 수 있게 해줍니다. 기술이 발전하고 도입이 확대됨에 따라 티타늄 AM은 중요한 산업 전반에서 더 가볍고, 더 강하고, 더 뛰어난 성능을 갖춘 설계를 가능하게 합니다. 그러나 잔류 응력, 이방성, 표면 마감, 표준과 같은 공정상의 문제는 연구 개발을 통해 계속 해결해야 할 과제입니다. 적층 가공은 더욱 발전함에 따라 티타늄 금속의 모든 기능을 실현하고 전 세계 제조업을 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.