3D 프린팅 티타늄 분말 은 강하고 가벼우며 부식에 강한 금속으로 항공우주, 자동차, 의료 및 기타 고급 애플리케이션을 위한 복잡하고 내구성이 뛰어난 부품을 3D 프린팅하는 데 이상적입니다. 이 문서에서는 티타늄 분말 야금, 특성, 응용 분야 및 티타늄을 사용한 적층 제조를 위한 공급업체에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.
3D 프린팅 티타늄 분말 개요
티타늄은 높은 중량 대비 강도, 피로 및 파손 저항성, 생체 적합성으로 인해 3D 프린팅에 바람직한 소재입니다. 티타늄 분말을 사용하면 파우더 베드 융착 공정을 통해 미세한 피처와 복잡한 형상의 부품을 인쇄할 수 있습니다.
티타늄 등급: AM에 일반적으로 사용되는 티타늄 합금으로는 Ti-6Al-4V(Ti64), Ti64 ELI, 상업적으로 순수한(CP) Ti 등급 2 및 Ti 6242가 있습니다.
파우더 생산: 티타늄 분말은 용융된 티타늄을 불활성 가스 분사로 미세한 구형 입자로 분무하는 가스 분무 방식으로 생산되며, 크기 분포가 촘촘합니다. 플라즈마 회전 전극 공정(PREP)도 사용됩니다.
파우더 크기: 일반적인 파우더 크기는 15~45미크론입니다. 15마이크론 정도의 미세한 파우더는 해상도를 높이고, 45마이크론 파우더는 더 높은 빌드 속도를 제공합니다.
유동성 및 재사용: 구형 형태와 제어된 크기 분포는 우수한 유동성을 제공합니다. 티타늄 분말은 올바르게 취급하면 일반적으로 최대 10~20회까지 재사용할 수 있습니다.
안전: 티타늄 분말은 인화성이 강하고 발열성 특성으로 인해 공기와 반응성이 높습니다. 불활성 분위기에서 적절히 취급하는 것이 중요합니다.
구성 및 미세 구조
티타늄 분말 구성, 미세 구조, 존재하는 상, 다공성과 같은 결함이 프린팅된 부품의 최종 특성을 결정합니다.
원소 구성
| 합금 | 티타늄 | 알루미늄 | 바나듐 | Iron | 산소 | 질소 | 수소 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TI-6AL-4V | 잔액 | 5.5-6.5% | 3.5-4.5% | 0.3% | 0.2% | 0.05% | 0.015퍼센트 |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | 잔액 | 5.5-6.5% | – | – | – | – | – |
| CP 2등급 Ti | 99.2% 분 | – | – | 최대 0.3% | 최대 0.25% | 최대 0.03% | 최대 0.015% |
단계: 티타늄 합금에는 α 육각형 밀집상과 β 몸체 중심 입방상이 혼합되어 있습니다. 적층 제조의 냉각 속도는 비평형 위상을 생성할 수 있습니다.
결함: 융착 부족, 다공성, 미세 균열이 발생하여 기계적 특성이 저하될 수 있습니다. 열간 등방성 프레스(HIP)는 결함을 줄이고 일관성을 개선하는 데 도움이 됩니다.
입자 구조: 빠른 응고 및 에피택셜 성장으로 인해 AM 티타늄 합금에서 제작 방향을 따라 원주형 프리-β 입자가 나타납니다. 원주형 입자의 폭은 강도에 영향을 미칩니다.
표면 거칠기: 파우더 베드 융착 공정은 부분적으로 녹은 파우더 입자로 인해 인쇄된 표면이 반투명해집니다. 추가 마감 처리가 필요한 경우가 많습니다.
주요 속성
프린팅된 티타늄 부품의 특성은 구성, 다공성, 표면 거칠기, 제작 방향, 열처리 및 테스트 방향의 영향을 받습니다.
물리적 속성
| 속성 | TI-6AL-4V | CP 2등급 Ti |
|---|---|---|
| 밀도(g/cc) | 4.42 | 4.51 |
| 녹는점(°C) | 1604-1660 | 1668 |
기계적 특성
| 속성 | 인쇄된 대로 | 열간 등방성 프레스(HIP) | 가공된 밀 어닐링 |
|---|---|---|---|
| 인장 강도(MPa) | 900-1300 | 950-1150 | 860-965 |
| 항복 강도(MPa) | 800-1100 | 825-900 | 790-870 |
| 파단 연신율(%) | 5-15 | 8-20 | 15-25 |
| 경도(HRC) | 32-44 | 32-36 | 31-34 |
장점
- 높은 중량 대비 강도 비율
- 높은 온도에서도 강도를 유지
- 피로, 마모 및 부식에 강함
- 바이오이너트 & 의료용 임플란트에 적합
- 멸균 처리를 견딜 수 있음
제한 사항
- 고가의 재료 및 AM 처리
- 반응성 및 인화성 분말
- 이방성 속성
- 단조 형태보다 낮은 연성
적층 제조 티타늄 부품의 응용 분야
3D 프린팅은 산업 전반에 걸쳐 티타늄의 용도를 더 가볍고 강하며 성능이 뛰어난 부품으로 확장하고 있습니다.
항공우주: 터빈 블레이드, 기체 및 엔진 구조물, 안테나, 열교환기
자동차: 커넥팅 로드, 밸브, 터보차저 휠, 드라이브트레인 구성품
의료 및 치과: 정형외과 임플란트, 보철물, 수술 기구, 환자 맞춤형 기기
석유 및 가스: 부식 방지 파이프, 밸브, 웰헤드 구성품, 분리기
소비재: 자전거 프레임, 골프 클럽 헤드, 안경 프레임과 같은 스포츠 장비
툴링: 금속 사출 금형, 지그, 고정 장치에 통합된 경량 컨포멀 냉각 채널
인기 3D 프린팅 티타늄 분말 AM용
| 합금 | 애플리케이션 | 인쇄 가능성 | 표면 마감 | 기계적 특성 |
|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V ELI | 항공우주 부품, 생체의학 임플란트 | 우수 | 보통 | 높은 강도, 경도, 피로 수명 |
| TI-6AL-4V | 구조용 항공우주 부품, 자동차 | 매우 좋음 | 보통 | 강도, 골절 인성 |
| Ti 6242 | 고온 부품 | Good | Poor | 300°C에서의 강도, 크리프 저항 |
| CP 2등급 티타늄 | 의료용 임플란트, 화학 플랜트 | 보통 | 매우 좋음 | 연성, 내식성 |
사양 및 표준
항공우주 및 의료 표준에 따라 티타늄 분말 및 인쇄 부품에 엄격한 품질 요구 사항이 적용됩니다.
파우더 사양
| 매개변수 | 요구 사항 | 테스트 방법 |
|---|---|---|
| 입자 크기 | 15-45 μm | 레이저 회절 |
| 겉보기 밀도 | ≥ 2.7g/cc | 홀 유량계 |
| 탭 밀도 | ≥ 3.2g/cc | 탭 밀도 테스터 |
| 유량 | 15-25초/50g | 홀 유량계 |
| 화학 성분 | 분석 증명서 | GDMS, ICP-MS |
부품 자격 기준
| 표준 | 세부 정보 |
|---|---|
| ASTM F3001 | AM 티타늄 부품의 표준 |
| ASTM F2924 | 티타늄 합금 Ti-6Al-4V ELI |
| ASTM F3184 | 공급 원료 티타늄 합금 분말 |
| AMS7009 | 항공우주 소재 사양 |
| ISO 13485 | 의료 기기 &8211; 품질 관리 |
티타늄 AM의 설계 원칙
티타늄으로 적층 제조의 이점을 활용하려면 적절한 부품 설계가 중요합니다.
- 돌출부를 최소화하여 지지 구조물 피하기
- 가루를 쉽게 제거할 수 있도록 부품의 방향 조정
- HIP 및 가공과 같은 후처리 허용
- 컨포멀 냉각을 위한 내장형 채널 포함
- 어셈블리를 단일 티타늄 부품으로 통합
- 격자로 고응력 영역 강화하기
- 토폴로지 최적화를 통한 경량화를 위한 형상 최적화
다음 공급업체 3D 프린팅 티타늄 분말
| 공급업체 | 제공되는 성적 | 분말 크기 | 추가 서비스 |
|---|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti64, CP-Ti 등급 1-4 | 15-45 μm | 분석, 테스트, 체질, 블렌딩, 보관 |
| 목수 첨가제 | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | 15-45 μm | 맞춤형 합금, 파라미터 개발 |
| LPW 기술 | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, CP-Ti 등급 2 | 15-45 μm | 재료 테스트, 분말 재사용 분석 |
| 프렉스에어 | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI | 15-100 μm | 체질, 블렌딩, 보관 |
| 샌드빅 | 오스프리 티타늄 합금 | 15-45 μm | 파우더 수명 주기 관리 |
비용: kg당 ~$500-$1000이지만 주문량, 등급, 크기 분포, 가스 분무 방식, 추가 취급 및 테스트 요구 사항에 따라 다릅니다.
자주 묻는 질문
Q: 티타늄 부품을 3D 프린팅하는 데 어떤 방법을 사용할 수 있나요?
A: 티타늄은 주로 선택적 레이저 용융(SLM)과 전자빔 용융(EBM)을 사용하는 분말 베드 용융 방식으로 프린트됩니다. 레이저 금속 증착(LMD) 및 용접 기반 지향성 에너지 증착(DED)과 같은 와이어 기반 방법도 가능하지만 덜 일반적입니다.
Q: AM용 티타늄 파우더는 특별한 보관이나 취급이 필요합니까?
A: 예, 티타늄은 공기와 쉽게 반응하므로 아르곤 또는 질소 가스를 사용하여 불활성 분위기에서 분말을 보관하고 처리해야 합니다. 인화성 환경과 점화원은 피해야 합니다. 작업자는 티타늄 분말을 취급할 때 보호 장비를 착용해야 합니다.
Q: 티타늄 AM 부품에서 다공성 문제의 원인은 무엇인가요?
A: 냉각 속도가 높으면 가스 포획으로 인해 융합 결함이 발생합니다. 다공성을 최소화하려면 전력, 속도, 해치 간격, 초점 오프셋 및 파우더 층 밀도와 같은 파라미터를 최적화해야 합니다. 열간 등방성 프레싱(HIP)도 초기 프린팅 후 부품 밀도를 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.
Q: 적층 가공 후 바로 매끄러운 티타늄 표면을 구현하기 어려운 이유는 무엇인가요?
A: 부분적으로 녹은 티타늄 분말은 표면에 달라붙어 거친 마감을 유발할 수 있습니다. 텀블링, 샌드블라스팅, 밀링, 연삭 및 연마는 티타늄 인쇄 부품을 매끄럽게 하기 위해 사용되는 2차 작업입니다. 화학적 또는 전기 화학적 마감 공정도 사용됩니다.
Q: 상업적으로 순수한 티타늄을 3D 프린팅할 수 있나요?
A: 예, 구성 및 입자 크기 분포에 대한 B348과 같은 ASTM 표준을 충족하는 1~4등급의 비합금 CP 티타늄 분말을 사용하여 뼈 임플란트 및 화학 플랜트와 같이 높은 연성이 필요한 응용 분야에 순수 티타늄 부품을 프린팅할 수 있습니다.
Additional FAQs on 3D Printing Titanium Powder
1) How many reuse cycles are safe for 3D printing titanium powder without degrading quality?
With strict oxygen/nitrogen control, sieving (e.g., 45 μm), and lot traceability, many aerospace shops qualify 5–15 reuse cycles. Stop reuse if O increases >0.03 wt% from baseline, flow degrades, or defect rates rise. Follow ISO/ASTM 52907 and internal MPS.
2) Which AM processes work best for titanium powders and why?
Laser powder bed fusion (LPBF/SLM) and electron beam melting (EBM) are dominant. LPBF offers fine features and broad parameter sets; EBM runs at elevated temperature, reducing residual stress and is favored for porous implants. Binder jetting for Ti is emerging but typically requires careful de-oxygenation and sinter-HIP.
3) What post-processing is essential for fatigue-critical Ti-6Al-4V parts?
Stress relief (650–750°C), hot isostatic pressing (HIP ~920–930°C, 100–120 MPa, 2–4 h), machining of critical surfaces, and polishing/electropolishing to Ra ≤1 μm. Fatigue performance often doubles versus as-printed.
4) How do powder size distributions affect build outcomes?
Finer cuts (15–25 μm) improve surface quality and detail but can reduce flowability and build rate. Coarser cuts (25–45 μm) raise throughput and stability but increase stair-stepping and roughness. Choose distribution to match feature size and machine recoating behavior.
5) What safety controls are mandatory for titanium powder handling?
Inert gas cabinets/Gloveboxes, Class D fire extinguishers, bonded/grounded equipment, dust collection with spark arrestors, ATEX-rated components where applicable, antistatic PPE, O2 monitoring, and documented spill/ignition procedures. Reference NFPA 484 and local regulations.
2025 Industry Trends in 3D Printing Titanium Powder
- Accelerated qualification: AMS 7015/7016 adoption expands, shortening time-to-flight for LPBF Ti parts via standardized process control and in-situ monitoring requirements.
- Multi-laser productivity: 8–12 laser LPBF systems push cost per part down; scan strategies mitigate lack-of-fusion at hatch boundaries.
- Powder lifecycle management: Inline O/N analysis and automated sieve stations standardize reuse; more closed-loop powder traceability integrated with MES/QMS.
- EBM for orthopedics: Growth in porous Ti implants due to faster build rates and temperature-managed microstructures.
- Binder jetting pilots: Early 2025 pilots show competitive cost for simple Ti geometries after de-binding and HIP, with ongoing work on oxygen pickup mitigation.
- Sustainability: Buy-to-fly ratios near 1.2 for AM vs. 8–12 for subtractive, plus increased regional atomization capacity to stabilize supply.
| 2025 Metric (Ti-6Al-4V unless noted) | 일반적인 범위 | Relevance/Notes | 출처 |
|---|---|---|---|
| LPBF build rate per laser | 10–60 cm³/h | Multi-kW, multi-laser platforms improve throughput | OEM specs (EOS, SLM Solutions, Trumpf) |
| As-built density (LPBF) | 99.0–99.9% | With optimized power/speed/hatch and contour scans | Peer-reviewed AM studies |
| HIP + polished HCF strength | 400–600 MPa at 10⁷ cycles | Critical for aerospace brackets/implants | Literature averages |
| Qualified powder reuse cycles | 5–15 | With O ≤0.15 wt% total and tight PSD control | ISO/ASTM 52907 guidance |
| Ti powder price (atomized) | $450–$900/kg | Varies by grade, lot size, and certification | Market trackers, USGS context |
| EBM porous implant pore size | 300–700 μm | Target for osseointegration lattice regions | Orthopedic device literature |
Authoritative sources and references:
- ASTM and ISO/ASTM AM standards: https://www.astm.org and https://www.iso.org
- SAE AMS 7015/7016: https://saemobilus.sae.org
- USGS Mineral Commodity Summaries (Titanium): https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs
- FDA device database for AM implants: https://www.accessdata.fda.gov/scripts/cdrh/cfdocs/cfpmn/pmn.cfm
Latest Research Cases
Case Study 1: Cost-Down of Aerospace Ti Brackets via Multi-Laser LPBF and Closed-Loop Powder Reuse (2025)
Background: An aerospace Tier-1 supplier needed to reduce piece cost and lead time for Ti-6Al-4V brackets while meeting AMS 7016.
Solution: Implemented 8-laser LPBF platform, automated powder recycle with inline O/N analysis, stress relief + HIP, and critical surface machining.
Results: Cost per part down 22%, buy-to-fly 1.25, first-pass yield 98.6%, and fatigue at 10⁶ cycles improved 30% over 2023 baseline. Internal qualification aligned to AMS 7015/7016 and customer MPS.
Case Study 2: EBM-Printed Porous CP-Ti Grade 2 Acetabular Cups for Enhanced Osseointegration (2024)
Background: Hospital consortium sought better primary stability and reduced revision risk in complex hip cases.
Solution: Designed 60% lattice porosity with 500 μm pores; EBM at elevated temperature to reduce residual stress; post-cleaning and sterilization per ISO 13485; verification to ASTM F3001/F67.
Results: Bench push-out strength +25% vs. machined-and-coated cups; early 12-month follow-up indicated improved stability with no adverse ion release beyond ISO 10993 limits. Device data supported premarket submission.
Expert Opinions
- Prof. Iain Todd, Professor of Metallurgy and Materials Processing, University of Sheffield
Key viewpoint: “For titanium powders, controlling oxygen pickup across the entire lifecycle is the single biggest lever for reliable ductility and fatigue; inline gas analysis and strict reuse rules are now best practice.” - Dr. Martina Zimmermann, Head of Additive Manufacturing Materials, Fraunhofer IWM
Key viewpoint: “Multi-laser LPBF increases productivity, but scan synchronization and defect mapping must be tied to acceptance criteria like AMS 7016 to prevent hatch-boundary lack-of-fusion.” - Dr. Gaurav Lalwani, Materials Scientist (Biomedical Implants), independent consultant
Key viewpoint: “EBM-produced porous Ti surfaces deliver reproducible osseointegration without post-coatings, provided pore size and surface energy are tightly controlled.”
Citations for expert profiles:
- University of Sheffield AMRC/Materials: https://www.sheffield.ac.uk
- Fraunhofer IWM: https://www.iwm.fraunhofer.de
- Consultant profile/context: https://scholar.google.com (publication records)
Practical Tools and Resources
- Data and standards
- ISO/ASTM 52907 (feedstock characterization) and 52910 (design guidelines): https://www.iso.org
- ASTM F3001, F2924, F3184 (Ti powders/parts): https://www.astm.org
- SAE AMS 7015/7016 (AM Ti qualification): https://saemobilus.sae.org
- Process and simulation
- Ansys Additive Suite (distortion, support, microstructure): https://www.ansys.com
- Autodesk Netfabb and Fusion Additive features: https://www.autodesk.com
- nTopology for topology optimization and lattices: https://ntop.com
- Powder management and QC
- Senvol Database (machines/materials): https://senvol.com/database
- LECO O/N/H analyzers for powder/part gas content: https://www.leco.com
- Bodycote HIP services: https://www.bodycote.com
- Safety and compliance
- NFPA 484 (combustible metals guidance): https://www.nfpa.org
- AMPP (formerly NACE) resources on titanium corrosion and finishing: https://www.ampp.org
- Market intelligence
- USGS titanium summaries and trends: https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs
Last updated: 2025-08-21
Changelog: Added 5 new FAQs, 2025 trend table with metrics and sources, two recent case studies, expert commentary, and curated tools/resources specific to 3D printing titanium powder.
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if AMS/ASTM/ISO standards are revised, multi-laser LPBF parameters materially change, or titanium powder pricing/supply experiences significant volatility.
