적층 제조를 위해 만들어진 4가지 맞춤형 재료

적층 제조의 지속적인 성장으로 기업과 연구원은 다양한 하위 기술, 추가 기능 및 인쇄 최적화 수단을 고안해 냈습니다. 그러나 최적화된 목표를 달성하는 또 다른 방법은 사용 중인 재료를 최적화하는 것입니다. 이로 인해 3D 인쇄용으로 만들어진 다양한 재료가 생겨났고, 모두 정밀한 제어를 통해 얻은 이상적인 특성을 나타냅니다.

이러한 재료 중 일부는 3D 프린팅을 위해 또는 3D 프린팅을 위해 특별히 설계되었으므로 기술에 새롭고 참신한 특성과 기능을 제공합니다. 다음은 가장 유망한 자료 중 일부입니다.

스캘멀로이

사진 제공:Beamler

3D 프린팅을 위해 특별히 개발된 최초의 원본 재료로 선전되는 이 스칸듐(SC), 알루미늄(AL) 및 마그네슘(M)의 혼합물은 모두 단일 합금으로 융합되었습니다. 이 소재는 원래 Airbus 그룹의 자회사인 APWorks에서 개발하고 특허를 받았습니다. 금속 인쇄 재료로서 강화된 강도(주로 스칸듐의 존재로 인해)와 같은 몇 가지 고유한 기능을 제공합니다.

강도 측면에서 기존 알루미늄 및 많은 파생 합금을 능가할 수 있습니다. 가볍고 부식에 강하다는 점에서 티타늄보다 훨씬 강합니다. 물론 이 재료는 광석에서 추출하는 비용도 많이 드는 희귀 금속인 스칸듐을 포함하고 있기 때문에 만드는 데 비용이 많이 들 수 있습니다. 가격 또는 스칸디움은 킬로그램당 US$4000에서 US$20,000 사이에서 변동할 수 있으며 주요 채굴 위치는 중국과 러시아입니다.

Scalmalloy는 내구성이 높고 오래 지속되는 부품에 가장 유용합니다. 이것이 자동차 산업 및 로봇 분야에서 인기를 얻고 있는 이유이며 종종 열교환기의 일부입니다. 의심할 수 있는 것처럼 Scalmalloy는 원래 산업인 항공 우주에서도 중추적인 역할을 합니다.

NewGen SLM 자료

사진 제공:TU Graz        

이 금속은 금속 AM 전용 스테인리스강을 개발하기 위해 질화 규소 혼합물을 적용한 오스트리아의 TU Graz에서 제공한 것입니다. NewGen SLM 재료라고 하는 이 재료는 형성 과정에서 더 제어된 반응을 나타내므로 표면 마감이 개선되고 지지대의 필요성이 최소화됩니다. 316L 스테인리스 스틸은 전 세계적으로 여러 산업 분야에서 사용되는 가장 일반적인 재료 중 하나이며 NewGen 버전은 특히 선택적 레이저 용융으로 인쇄하기 위해 향상된 특성을 제공합니다.

연구원들은 여러 혼합으로 변형된 스테인리스강 혼합물의 다양한 버전을 테스트했습니다. 기계적 특성과 다공성에 대해 다른 재료를 테스트하면서 그들은 소결의 왜곡이 그 안의 질화규소와 붕소를 엄격하게 제어함으로써 감소될 수 있다는 결론에 도달했습니다. 그들은 이러한 발견을 학술 논문 "Si3N4 Addition에 의한 AISI 316L + B Sinters의 치수 안정성 및 기계적 특성 개선"에 발표했습니다.

붕소화물은 소결 밀도를 증가시키기 때문에 철 기반 재료에서 잘 결합되지 않습니다. 그 결과 입자 주위에 원치 않는 층이 형성될 수 있습니다. 질화규소는 이 요인을 완화하고 더 나은 표면 마무리로 이어집니다. 연구원은 기계적 및 최종 사용 특성을 개선할 뿐만 아니라 NewGen SLM 재료가 더 적은 지지 구조를 필요로 하도록 금속 분말을 수정했습니다. 이렇게 하면 수정된 스테인리스 스틸이 기존의 금속 인쇄물보다 훨씬 가벼울 수 있습니다.

현재 연구원들은 여전히 ​​이 특정 물질을 상업화하고 있습니다. 그들은 또한 유사한 방식으로 이익을 얻을 수 있는 다른 물질을 테스트하기 위해 이 연구 라인을 향상시킵니다. 그들의 작업은 통지를 받았으며 적절한 창업을 위해 스핀오프 펠로우십 프로그램과 협력하고 있습니다.

3D 인쇄된 고강도 알루미늄 합금

https://www.youtube.com/watch?v=8YwlenA4bdg

HRL Laboratories에서 발명한 이 특정 알루미늄 변종은 최근에 알루미늄 협회에서 상업화 및 등록되었습니다. 적층 제조된 고강도 알루미늄은 또한 알루미늄 협회에서 이러한 합금에 대한 최초의 등록을 표시하여 알루미늄 분말에 대해 등록 번호 7A77.50, 인쇄된 합금 자체에 대해 번호 7A77.60L을 받았습니다.

이 소재는 또한 2019년 2월에 협회의 새로운 첨가제 합금 등록 시스템을 표시했다는 점에서 특별했습니다. 이는 적층 제조 능력으로 인해 다양한 신소재가 등장한 직접적인 결과였습니다. 이것은 인쇄할 수 있는 최초의 합금이었습니다.

화학적으로 합금은 HRL의 나노 입자 기능화 기술을 사용하여 개발되었습니다. 이 특정 재료는 지르코늄 기반 나노입자를 사용하지만 이 재료 생산 방식의 진정한 장점은 종종 인쇄할 수 없는 것으로 간주되는 다양한 기타 금속 및 합금에 적용할 수 있다는 것입니다. 결과적으로 HRL은 새로운 재료를 3D 인쇄 세계로 가져올 수 있는 다양한 다른 방법도 모색하고 있습니다.

결정학, 메타물질 및 세계에서 가장 단단한 플라스틱 구조

사진 제공 ETH 취리히/MIT

새로운 재료 배열은 항상 새로운 재료를 발견하거나 재료의 화학적 조성을 변경하여 이전 예에서 설명한 것처럼 인쇄할 수 있도록 하는 것이 아닙니다. 때로는 기존 재료를 사용하는 새로운 방법이 특별한 것을 제공할 수 있습니다. 흥미로운 결과를 생성하는 방식으로 구조화된 재료를 포함하는 다양한 재료 구조의 경우입니다.

MIT와 ETH Zurich의 결합된 프로젝트가 한 예입니다. 연구원들은 플라스틱 구조를 나노 스케일로 재배열하여 가능한 가장 높은 강성 대 중량비를 가진 재료를 만들었습니다. 그 결과 상대적으로 낮은 무게와 이 강성의 균형을 유지하면서 매우 단단한 재료가 탄생했습니다. 본질적으로, 그들은 미세 구조가 배열되는 방식을 간단히 조정함으로써 물리학이 허용하는 이론적 한계에 상당히 근접한 가능한 가장 단단한 물질을 개발했습니다.

이러한 종류의 강성 대 중량비는 고강도 의료용 임플란트, 비행기 및 경주용 자동차에 매우 중요합니다. 앞서 언급했듯이 주요 아이디어는 사용 중인 재료에 있는 것이 아니라 미시적으로 건설하는 것입니다. 트러스, 거들 및 아치의 복잡한 패턴을 사용하여 연구원들은 강도와 ​​내구성을 극대화했습니다.

마찬가지로, 셰필드 대학교와 임페리얼 칼리지 연구원들은 합금을 인쇄하는 새로운 방법을 만들기 위해 내구성을 향상시키기 위해 인쇄물에 새로운 미세 구조를 사용하는 방법을 연구하고 있었습니다. 결정학적 메타물질을 사용하는 그들의 작업은 컴퓨터 원자 모델링을 사용하여 이전에는 볼 수 없었던 구조를 생성했습니다. 설명된 대로 이러한 결정 구조는 결정립 경계 없이 연속적이고 깨지지 않는 인쇄물을 생성합니다. 이렇게 하면 최종 인쇄물의 손상 내성, 강도 및 인성이 향상됩니다.

이러한 재료는 노드와 스트럿이 주기적으로 배열되어 기존 고체에서는 발생하지 않는 특성의 조합을 나타내면서 경량으로 만듭니다. 견고하고 손상에 강한 재료를 개발하기 위해 결정질 재료에서 발견되는 경화 메커니즘을 사용함으로써, 그들은 감산 제조로는 도저히 관리할 수 없는 인쇄 가능한 재료를 만들었습니다.

유사한 아이디어가 4D 프린팅 분야에 스며들어 있습니다. 미세 구조가 매우 섬세하게 균형을 이루고 있어 평범한 재료를 다양한 배열의 로봇이나 기능적 아이템으로 바꿔줍니다. 3D 프린팅은 설계된 목적에 부합할 때까지 가장 작은 세부 사항을 수정할 수 있는 이러한 능력을 제공하고 제조 및 연구 세계에서 새로운 형태의 생성을 장려합니다.