2020년에 어떤 금속 3D 프린팅 분말을 사용할 수 있습니까? [가이드]

금속 3D 프린팅에 발을 담그고자 하는 기업이라면 오늘날 이 기술과 함께 사용할 수 있는 금속을 아는 것이 중요합니다. 설계에서 제조에 이르기까지 올바른 재료를 선택하면 완제품에 대해 가능한 최고의 표준이 보장됩니다.

현재 AM용 금속 생태계에 빠르게 적응할 수 있도록 우리는 분말 베드 퓨전(Powder Bed Fusion)을 위한 상업적으로 이용 가능한 합금, 성공적인 인쇄를 위한 핵심 재료 요구 사항 및 금속 사용이 미래에 어떻게 진화할 것인지 탐구합니다. . 그러나 먼저 파우더 베드 퓨전이 무엇인지 알아보겠습니다.

금속 분말층 융합 기술에 대한 간략한 개요

금속 분말 베드 퓨전(PBF)은 오늘날 가장 확립된 금속 적층 제조(AM) 기술입니다.

PBF를 사용하면 분말 금속 층이 기계의 빌드 플랫폼에 고르게 분포되고 에너지원(레이저 또는 전자빔)에 의해 선택적으로 융합됩니다.

두 가지 주요 금속 3D 프린팅 프로세스는 분말 베드 퓨전 카테고리에 속합니다.

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선택적 레이저 용융(SLM)/직접 금속 레이저 소결(DMLS)

전자빔 용융(EBM)

SLM에서는 강력하고 미세 조정된 레이저가 금속 분말 층에 선택적으로 적용됩니다. 이러한 방식으로 금속 입자가 융합되어 부품이 생성됩니다.

SLM의 중요한 요구 사항은 아르곤과 같은 불활성 가스로 채워진 밀폐된 빌드 챔버입니다. 이는 금속 분말의 산소 오염을 방지하고 인쇄 과정에서 올바른 온도를 유지하는 데 도움이 됩니다.

EBM은 금속 분말도 용융되어 완전히 조밀한 금속 부품을 생성한다는 점에서 SLM과 유사하게 작동합니다. 분말의 오염 및 산화를 방지하기 위해 EBM 공정은 진공 환경에서 진행됩니다.

SLM/DMLS와 EBM 기술의 주요 차이점은 에너지원입니다. EBM 시스템은 레이저 대신 고출력 전자빔을 열원으로 사용하여 금속 분말 층을 녹입니다.

전자빔은 일반적으로 레이저보다 강력하기 때문에 EBM은 고온 금속 초합금과 함께 제트 엔진 및 가스터빈과 같은 매우 까다로운 응용 분야용 부품을 만드는 데 종종 사용됩니다. 또한 이 기술은 전하에 의존하기 때문에 EBM은 티타늄 및 크롬-코발트 합금과 같은 전도성 금속에만 사용할 수 있습니다.

금속 3D 프린팅 분말 요구 사항

정확하고 반복 가능한 금속 AM 생산을 보장하려면 금속 분말이 일관된 특성을 나타내야 합니다.

분말 제조 방법이 다르기 때문에 분체 특성은 공정 및 합금에 따라 다릅니다. 가장 중요한 특성은 다음과 같습니다.

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입자 크기 분포(PSD) :입자가 작을수록 부품 치수 및 표면 조도의 미세한 분해가 가능합니다. PBF 내에서 EBM 시스템은 전통적으로 45–105 µm PSD를 사용하는 반면 대부분의 레이저 기반 시스템은 15–45 µm PSD를 필요로 합니다.

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형태 :평활한 정형의 금속분말 입자가 바람직하다. 이렇게 하면 포장이 잘 되어 원하는 기계적 특성을 지닌 조밀한 제품을 얻을 수 있습니다.

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유동성 :분말 유동성은 리코터에 의해 분말이 퍼지면서 균일한 분말층을 형성하는데 중요한 역할을 합니다.

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밀도 :유동 및 가공 중 분말의 최적 패킹 밀도는 3D 프린팅 부품의 무결성과 표면 마감에 긍정적인 영향을 미칩니다. 타원체 입자는 더 우수하고 일관된 자연적 또는 무작위 패킹을 갖습니다.

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화학물질/상 구성 :이것은 모든 합금이 분말로 제공되지 않는 이유를 설명합니다. PBF는 일반적으로 용접 가능한 금속을 선호합니다.

Powder Bed Fusion에서 어떤 금속을 3D 인쇄할 수 있습니까?

스틸

AM용 합금 사용 가능 :316L, H13 공구강, 마레이징강, 표면경화강, 스테인리스강 15-5 PH, 스테인리스강 17-4 PH, 스테인리스강 300 시리즈, 스테인리스강 400 시리즈, 저합금강

강철은 지구상에서 가장 널리 사용되고 가장 많이 재활용되는 금속 재료입니다. 스테인리스강 및 고온강에서 다양한 형태와 합금의 강은 다양한 응용 분야를 충족시키기 위해 다양한 특성을 제공합니다.

금속 PBF에서 널리 인쇄되는 1차 강철 합금은 약 10개에 불과합니다. 오늘. 오늘날 인쇄된 강철 세트는 매우 작지만 전통적인 금속 가공 기술에 비해 Carpenter, Sandvik, Hoganas, GKN 및 Oerlikon과 같은 회사는 모두 AM을 위한 새로운 시장을 개척하기 위해 적극적으로 새로운 강철을 개발하고 있습니다.

예를 들어, GKN Additive Materials는 최근 AM용 새로운 저합금강 분말을 개척했습니다. 인성과 내식성으로 인해 저합금강 분말은 확장성과 비용이 핵심적인 동인인 자동차 산업과 같은 분야에서 AM에 새로운 기회를 제공합니다.

오늘날 강철을 최종 용도로 사용하고 있습니다. 부품 AM 생산은 특히 해양 및 자동차와 같은 3D 프린팅을 위한 새로운 시장에서 성장하고 있습니다. 이것은 철강을 전통적인 의료 및 항공 우주 산업을 넘어 금속 AM 기술의 채택을 촉진하는 열쇠 중 하나로 만듭니다.

이러한 발전은 강철이 향후 몇 년 동안 가장 널리 사용되는 금속 AM 재료가 될 가능성이 매우 높음을 나타냅니다.

알루미늄

AM용 합금 사용 가능 :Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg(F357), Scalmalloy(Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2(A205/A20X)

알루미늄은 뛰어난 기계적 및 열적 특성을 결합한 강력하고 가벼운 금속입니다. 이러한 이유로 알루미늄 합금은 항공 우주, 자동차 및 생물 의학 산업에서 널리 사용됩니다.

AM 리서치 회사인 SmarTech는 2018년 알루미늄 3D 프린팅이 모든 금속 프린팅의 약 10%를 차지했다고 추정합니다. 그 이후로 AM용 알루미늄 합금의 개발 및 상용화가 크게 증가했습니다. 항공 우주 및 자동차 산업의 수요.

예를 들어, APWORKS는 Airbus와 협력하여 항공우주 애플리케이션용 Scalmalloy를 개발했습니다. 이 소재는 항공우주 산업에 특히 유리한 가장 낮은 구매 비율을 제공합니다.

이 소재는 항공 우주를 염두에 두고 개발되었지만 그 속성은 모터스포츠 분야에서도 매력적입니다. 바로 이 때문입니다. Scalmalloy는 최근 Formula 1용으로 승인된 AM 재료 목록에 추가되었습니다.

그러나 AM용 알루미늄 합금은 여전히 ​​매우 고가이며 대상 산업의 요구 사항을 충족하지 않습니다. 예를 들어, 자동차 산업에서는 알루미늄 3D 인쇄 부품이 대량 생산 차량에 사용하기 위해 충돌 테스트를 통과해야 합니다.

엔지니어링 그룹인 EDAG는 'CustoMat_3D' 연구 프로젝트의 일환으로 CustAlloy로 알려진 새로운 알루미늄 합금을 개발하여 자동차 시리즈 생산에 AM을 적용하는 데 중점을 두었습니다.

새롭게 개발된 재료는 파단 시 더 높은 강도와 ​​더 높은 연신율을 제공함으로써 이러한 문제를 극복하도록 설계되었습니다. 이는 자동차 3D 프린팅 부품이 충돌 테스트에서 우수한 성능을 발휘하기 위해 새로운 합금을 사용할 수 있도록 하는 필수 속성입니다.

티타늄

성적 :Ti-6Al-4V(5등급), Ti-6Al-4V(23등급), Cp-Ti(1등급), Cp-Ti(2등급), Ti-Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo , Ti5553, Ti6242

티타늄은 우수한 재료 특성을 가지고 있지만 높은 비용으로 인해 역사적으로 항공우주 분야의 고부가가치 응용 분야에 사용이 제한되었습니다.

금속 3D 프린팅이 실행 가능한 제조 방법으로 점점 더 인식되고 있기 때문에 이 기술은 의료, 자동차 및 모터스포츠와 같은 산업에서 티타늄을 더 많이 사용할 수 있도록 합니다.

많은 것이 있습니다. 티타늄의 무독성, 고강도 및 내식성 덕분에 특히 정형외과 임플란트 분야에서 티타늄 3D 프린팅의 가능성이 있습니다.

3D 프린팅과 함께 사용하면 의료 기기 제조업체는 다음을 사용하여 티타늄 임플란트를 만들 수 있습니다. 복잡한 다공성 구조. 놀랍게도 이러한 구조는 인간의 뼈 구조를 모방하여 뼈 세포가 뼈를 성장시키는 발판으로 인식합니다.

티타늄 분말에 대한 수요 증가로 인해 일부 금속 분말 생산업체는 새로운 티타늄 생산 공장을 건설하기 시작했고 다른 제조업체에서는 티타늄 분말 생산을 확대했습니다.

예를 들어, Sandvik은 2019년 말 Osprey® 브랜드로 티타늄 및 니켈 기반 초합금을 위한 분말 공장을 열었습니다. 같은 해 캐나다 플라즈마 원자화 금속 제조업체인 PyroGenesis는 분말, 티타늄 분말 생산 ​​속도를 높임으로써 회사는 역사적으로 매우 비싼 티타늄 분말 생산 ​​비용을 낮출 수 있었습니다.

구리 및 귀금속

AM용 합금 사용 가능 :CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu 고산소

모든 금속이 3D 프린팅에 적합한 것은 아닙니다. 예를 들어, 구리는 인쇄하기가 특히 까다롭습니다. 3D 인쇄된 구리의 대다수는 현재 순수 금속이 아닌 구리 합금을 기반으로 합니다.

순구리는 레이저 반사율이 90/90이 넘습니다. 센트이며 레이저가 순수 구리 분말을 지속적으로 규칙적으로 녹이기 어렵습니다.

앞으로 나아가는 한 가지 방법은 그러한 금속을 3D 프린팅할 수 있는 새로운 시스템을 개발하는 것입니다.

Formnext 2018에서 TRUMPF는 순동뿐만 아니라 다른 귀금속도 인쇄할 수 있는 그린 레이저 기술을 시연했습니다.

TRUMPF는 3D 인쇄로 순동을 인쇄할 수 있다고 믿습니다. 전자 제품, 자동차 및 우주 응용 분야에 특히 유용한 전도성 인덕터 및 열 교환기를 만드는 대체 방법입니다.

금, 은, 백금과 같은 귀금속의 경우 3D 프린팅의 장점 이러한 재료는 보석, 액세서리 및 장식 개체에 이상적인 복잡한 디자인을 달성할 수 있는 가능성에 있습니다.

그러나 귀금속의 3D 프린팅은 일반적으로 간접적이며 왁스 주조 기술에 사용되는 왁스 몰드 생산을 포함합니다.

귀금속과 호환되는 3D 프린팅 기계의 대수가 제한되어 있지만 PBF를 사용하여 귀금속을 직접 3D 프린팅하는 것도 가능합니다.

초합금

니켈, 코발트 또는 철을 기반으로 하는 금속 혼합물 제품군인 초합금은 특히 융점에 가까운 고온에서 작동할 때 고온 변형, 부식 및 산화에 강합니다.

터보제트 엔진의 가스터빈 부품용으로 처음 개발된 초합금은 이제 항공우주 및 발전 산업의 고온 응용 분야에 널리 사용됩니다.

니켈

AM용 합금 사용 가능 :Inconel 625, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Ni-Ti, Waspaloy, Hastelloy, ABD900AM, Haynes 282

니켈 합금은 2007년에 처음으로 금속 PBF 공정에 사용하기 위해 상용화되었습니다.

니켈 합금에 대한 현재 수요는 인코넬 제품군의 초합금, 특히 IN625 및 IN718 합금에 의해 지배되고 있습니다. 이는 높은 경도, 인장 강도, 그리고 아마도 가장 중요하게는 화학적 및 온도를 요구하는 응용 분야에서의 상당한 능력 덕분입니다. 저항.

이 두 합금 외에도 주요 금속 회사에서 제공하는 니켈-크롬 초합금이 더 많습니다. 여러 Haynes 초합금, Hastelloy 초합금 및 다양한 형태의 Inconel이 이제 더욱 확립되고 있습니다.

항공우주 산업이 현재 니켈 기반 적층 제조에 대한 대부분의 수요를 주도하고 있지만, 석유 및 가스, 에너지 및 일반 산업 분야에서 니켈 초합금의 3D 프린팅에 대한 엄청난 잠재력이 있습니다. 화학 처리.

코발트

AM에 사용 가능한 합금: MP1, CP2, Co-Cr, Co-Cr-MoC, 188 코발트 합금, 509 코발트 합금, CoCr-0404, CO502, CO90, CO212, Co49Fe2V

3D 프린팅을 위한 최초의 상업적으로 이용 가능한 코발트 초합금의 출시는 2006년으로 거슬러 올라갑니다. 그 이후로 의료 및 항공 우주 산업의 수요에 힘입어 재료의 사용이 증가하고 있습니다.

코발트 초합금은 부식 및 고온에 대한 저항성과 함께 우수한 기계적 특성을 가지고 있습니다. 코발트크롬 합금은 생체적합성이 우수하여 의료(정형외과 임플란트) 및 치과용으로 특히 적합합니다.

철제

AM용 합금 사용 가능 :Invar 36, Fe-Si, Fe-Ni

몇몇 금속 PBF 시스템 제조업체는 매우 낮은 열팽창으로 유명한 니켈-철 합금인 Invar 36을 인쇄할 수 있는 가능성을 제공합니다. Invar 36은 무선 및 전자 장치, 항공기 제어 장치, 광학 및 레이저 시스템과 같이 광범위한 온도에서 높은 치수 안정성이 필요한 구성 요소에 사용됩니다.

금속 분말의 선두 제조업체 중 하나인 Höganäs는 AMPERPRINT 브랜드로 마모, 마모 및 부식에 강한 다양한 철 기반 분말도 제공합니다.

내화 금속

내화 금속은 뛰어난 특성을 가지고 있지만 동시에 작업하기가 매우 어렵습니다.

오늘날 AM에서 내화 금속의 가장 일반적인 용도는 강철, 니켈 및 코발트 재료와 합금하여 많은 인기 있는 초합금을 만드는 것입니다.

현재 AM용 내화 금속 분말을 제공하는 회사는 소수에 불과합니다.

H.C. 최근에 TANIOBIS GmbH로 브랜드를 변경한 Starck Tantalum and Niobium GmbH는 AMtrinsic 브랜드 이름으로 AM용으로 설계된 다양한 원자화된 탄탈륨 및 니오븀(Ta/Nb) 분말과 그 합금을 제공하는 그러한 회사 중 하나입니다.

TANIOBIS는 탄탈륨과 니오븀이 높은 융점, 높은 내식성, 높은 열 및 전기 전도성을 이유로 AM에 새로운 기회를 열 것이라고 믿습니다.

이러한 속성을 통해 기업은 화학 공정, 에너지 부문 및 다양한 고온 환경에서 AM을 적용할 수 있습니다.

계속 증가하는 금속 3D 프린팅 분말 범위

금속 PBF는 소재 개발이 한창이다. 3D 프린팅에 사용할 수 있는 금속의 수는 주조 또는 기계 가공과 같은 기존 제조 방식과 비교할 때 여전히 제한적입니다.

그 이유 중 하나는 AM용 새로운 금속 분말을 개발하는 데 필요한 시간과 자원입니다. 어떤 경우에는 개발 프로세스에 몇 년이 걸릴 수 있습니다.

다른 금속과 다른 레이저 파장을 필요로 하는 구리 분말의 경우와 같이 성공적으로 인쇄하기 위해서는 하드웨어의 한계가 또 다른 이유입니다. 다행히도 인쇄 가능한 금속의 범위를 더욱 확장하기 위해 하드웨어 문제가 극복되고 있습니다.

도전에도 불구하고 금속 PBF의 미래는 생산 분야에서 채택이 증가하고 더 많은 산업에서 이 기술을 수용하기 시작함에 따라 밝습니다. 이는 새로운 응용 분야의 잠금을 해제하고 금속 3D 프린팅을 한 단계 끌어올리는 데 도움이 될 새로운 재료 화학에 대한 관심이 증가했음을 의미합니다.