2020년 금속 3D 프린팅 분말 베스트 가이드: 궁극의 소재 선택 안내

금속 3D 프린팅에 발을 들이는 모든 기업에게 현재 이 기술로 사용 가능한 금속이 무엇인지 아는 것은 필수적입니다. 설계부터 제조까지 올바른 소재 선택이 완제품의 최고 기준을 보장합니다.
 
현재 AM용 금속 생태계를 빠르게 파악할 수 있도록 분말 베드 퓨전용 상용 합금, 성공적인 프린팅을 위한 핵심 소재 요구사항, 금속 사용의 미래 진화 방향을 탐구합니다. 하지만 먼저 분말 베드 퓨전이 무엇인지 간단히 살펴보겠습니다.
 

금속 분말 베드 퓨전 기술 개요

 
금속 분말 베드 퓨전(PBF)은 현재 가장 확립된 금속 적층 제조(AM) 기술입니다.
 
PBF에서는 금속 분말 층이 기계의 빌드 플레이트에 고르게 분포되고, 에너지원(레이저 또는 전자빔)에 의해 선택적으로 융합됩니다.
 
분말 베드 퓨전 범주에 속하는 두 가지 핵심 금속 3D 프린팅 공정은:
 

• 선택적 레이저 용융(SLM) / 다이렉트 메탈 레이저 소결(DMLS)

 

• 전자빔 용융(EBM)

 
SLM에서는 강력하고 정교한 레이저가 금속 분말 층에 선택적으로 조사됩니다. 이렇게 금속 입자가 융합되어 부품이 생성됩니다.
 
SLM의 중요한 요구사항은 아르곤 같은 불활성 가스로 채워진 밀폐된 빌드 챔버입니다. 이는 금속 분말의 산소 오염을 방지하고 프린팅 공정 중 올바른 온도 유지에 도움을 줍니다.
 
EBM은 SLM과 유사하게 금속 분말을 용융해 완전 치밀한 금속 부품을 만듭니다. 분말의 오염과 산화를 방지하기 위해 EBM 공정은 진공 환경에서 이루어집니다.
 
SLM/DMLS와 EBM 기술의 핵심 차이는 에너지원입니다: 레이저 대신 EBM 시스템은 고출력 전자빔을 열원으로 사용해 금속 분말 층을 녹입니다.
 
전자빔은 일반적으로 레이저보다 강력하므로 EBM은 제트 엔진 및 가스 터빈 같은 고부담 응용 분야의 부품을 만들기 위해 고온 금속 초합금에 자주 사용됩니다. 또한 기술이 전기적 전하에 의존하므로 EBM은 티타늄, 코발트-크롬 합금 같은 전도성 금속에만 사용할 수 있습니다.
 

금속 3D 프린팅 분말 요구사항

 
정확하고 반복 가능한 금속 AM 생산을 위해 금속 분말은 일관된 특성을 보여야 합니다.
 
분말 생산 방식이 다르기 때문에 공정과 합금에 따라 분말 특성이 달라집니다. 가장 중요한 특성들에는:
 

• 입자 크기 분포(PSD): 더 작은 입자는 부품 치수와 표면 마감의 더 미세한 해상도를 허용합니다. PBF에서 EBM 시스템은 전통적으로 45–105 µm PSD를 사용하는 반면, 대부분의 레이저 기반 시스템은 15–45 µm PSD를 선호합니다.

 

• 형태(Morphology): 매끄럽고 규칙적인 모양의 금속 분말 입자가 바람직합니다. 이는 밀집도가 높아 원하는 기계적 특성을 가진 치밀한 제품을 만듭니다.

 

• 유동성(Flowability): 분말 유동성은 리코터가 분말을 펴는 동안 균질한 분말 층 형성에 주요 역할을 합니다.

 

• 밀도(Density): 유동 및 가공 중 분말의 최적 충진 밀도는 3D 프린팅 부품의 무결성과 표면 마감에 긍정적 영향을 줍니다. 타원형 입자가 더 우수하고 일관된 자연적/무작위 충진을 보입니다.

 

• 화학적/상 조성: 이것이 모든 합금이 분말 형태로 제공되지 않는 이유입니다. PBF는 일반적으로 용접 가능한 금속을 선호합니다.

 

분말 베드 퓨전에서 3D 프린팅 가능한 금속은?

강철(Steel)

 
AM용 가용 합금: 316L, H13 공구강, 마레이징 강, 침탄강, 스테인리스강 15-5 PH, 17-4 PH, 300 시리즈, 400 시리즈, 저합금강

 
강철은 지구상에서 가장 널리 사용되고 가장 많이 재활용되는 금속 소재입니다. 스테인리스강과 내열강 등 다양한 형태와 합금으로 광범위한 응용 분야에 맞는 다양한 특성을 제공합니다.
 
금속 PBF에서 오늘날 널리 프린팅되는 주요 강철 합금은 약 10가지뿐입니다. 현재 프린팅 가능한 강철 세트는 전통적 금속 가공 기술에 비해 꽤 작지만, 카펜터(Carpenter), 산드빅(Sandvik), 호가나스(Hoganas), GKN, 오를리콘(Oerlikon) 같은 기업들이 AM용 신강종을 적극 개발해 새 시장을 개척하고 있습니다.
 
예를 들어 GKN 애디티브 머티리얼즈는 최근 AM용 신규 저합금강 분말을 개척했습니다. 인성과 내식성 덕분에 저합금강 분말은 확장성과 비용이 핵심 동인인 자동차 산업 등에서 AM의 새 기회를 창출합니다.
 
오늘날 최종 부품 AM 생산에 강철 사용이 증가하고 있으며, 특히 해양과 자동차 같은 3D 프린팅 신시장에서 두드러집니다. 이는 강철이 향후 몇 년간 가장 널리 사용되는 금속 AM 소재가 될 것임을 시사합니다.
 

알루미늄(Aluminium)

 
AM용 가용 합금: Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg (F357), 스칼말로이(Scalmalloy, Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2 (A205/A20X)
 
알루미늄은 뛰어난 기계적·열적 특성을 결합한 강하고 가벼운 금속입니다. 이 때문에 알루미늄 합금은 항공우주, 자동차, 생물의학 산업에서 널리 쓰입니다.
 

 
AM 연구 기업 스마텍(SmarTech)은 2018년 알루미늄 3D 프린팅이 전체 금속 프린팅의 약 10%를 차지했다고 추정합니다. 이후 항공우주와 자동차 산업의 수요에 힘입어 AM용 알루미늄 합금 개발과 상용화가 크게 늘었습니다.
 
예를 들어 APWORKS는 에어버스(Airbus)와 협력해 항공우주용 스칼말로이를 개발했습니다. 이 소재는 가장 낮은 바이-투-플라이(buy-to-fly) 비율을 제공해 항공우주 산업에 큰 이점입니다.
 
항공우주를 염두에 두고 개발되었지만, 그 특성은 모터스포츠 분야에도 매력적입니다. 그래서 스칼말로이는 최근 포뮬러 1 승인 AM 소재 리스트에 추가되었습니다.
 
그러나 많은 AM용 알루미늄 합금은 여전히 매우 비싸고 목표 산업의 요구사항을 충족하지 못합니다. 예를 들어 자동차 산업은 양산 차량에 쓰이려면 알루미늄 3D 프린팅 부품이 충돌 테스트를 통과해야 합니다.
 
엔지니어링 그룹 EDAG은 'CustoMat_3D' 연구 프로젝트의 일환으로 자동차 양산용 AM 적용에 초점을 맞춘 신규 알루미늄 합금 커스트알로이(CustAlloy)를 개발했습니다.
 
이 신소재는 더 높은 강도와 파단 시 더 높은 신율을 제공해 이러한 과제를 극복하도록 설계되었습니다. 이는 자동차 3D 프린팅 부품이 새 합금으로 충돌 테스트에서 좋은 성적을 낼 수 있게 할 필수 특성입니다.
 

티타늄(Titanium)

 
등급(Grades): 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 소재 특성을 가졌지만 높은 비용으로 역사적으로 항공우주 같은 고부가가치 응용에만 쓰였습니다.
 
이제 금속 3D 프린팅이 실행 가능한 제조 방식으로 점점 인정받으면서, 이 기술은 의료, 자동차, 모터스포츠 같은 산업에도 티타늄을 더 접근 가능하게 만들고 있습니다.
 
특히 정형외과 임플란트 분야에서 티타늄 3D 프린팅의 잠재력이 큽니다. 티타늄의 무독성, 고강도, 내식성 덕분입니다.
 
3D 프린팅과 결합하면 의료기기 제조사는 복잡한 다공성 구조의 티타늄 임플란트를 만들 수 있습니다. 놀랍게도 이 구조는 인간 뼈의 구조를 모방해 뼈 세포가 성장을 위한 스캐폴드로 인식합니다.
 

 
티타늄 분말 수요 증가는 일부 금속 분말 생산업체로 하여금 새로운 티타늄 생산 공장 건설을, 다른 업체들은 티타늄 분말 생산을 증대하게 만들었습니다.
 
예를 들어 산드빅은 2019년 말 Osprey® 브랜드로 티타늄과 니켈 기반 초합금 분말 공장을 열었습니다. 같은 해 캐나다 플라즈마 원자화 금속 분말 제조사 파이로제네시스(PyroGenesis)는 티타늄 분말 생산율을 높여 역사적으로 매우 비쌌던 티타늄 분말 생산 비용을 낮췄습니다.
 

구리 및 귀금속(Copper and Precious metals)

 
AM용 가용 합금: CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu High Oxygen
 
모든 금속이 3D 프린팅에 적합한 것은 아닙니다. 예를 들어 구리는 프린팅이 특히 어렵습니다. 현재 3D 프린팅된 구리의 대다수는 순수 금속이 아닌 구리 합금 기반입니다.
 
순수 구리는 레이저 반사율이 90% 이상이라 레이저가 순수 구리 분말을 지속적·규칙적으로 녹이기 어렵습니다.
 
한 가지 돌파구는 그런 금속을 3D 프린팅할 수 있는 새로운 시스템 개발입니다.
 
폼넥스트 2018에서 트럼프(TRUMPF)는 순수 구리와 다른 귀금속을 프린팅할 수 있는 그린 레이저 기술을 시연했습니다.
 
이 회사는 순수 구리 3D 프린팅이 전도성 인덕터와 열교환기 제작의 대안이 될 수 있다고 믿습니다. 이는 전자, 자동차, 우주 응용에 특히 유용합니다.
 
금, 은, 백금 같은 귀금속의 경우, 3D 프린팅의 이점은 정교한 디자인 구현 가능성으로 주얼리, 액세서리, 장식품에 이상적입니다.
 
그러나 귀금속 3D 프린팅은 보통 간접 방식이며 왁스 몰드 제작 후 왁스 주조 기법을 사용합니다.
 
PBF를 이용한 귀금속 직접 3D 프린팅도 가능하지만, 귀금속과 호환되는 3D 프린팅 머신 수는 제한적입니다.
 

초합금(Superalloys)

 
초합금은 니켈, 코발트, 철 기반의 금속 혼합물로, 녹는점에 가까운 고온에서 작동할 때 고온 변형, 부식, 산화에 강합니다.
 
터보제트 엔진의 가스 터빈 부품용으로 처음 개발된 초합금은 이제 항공우주와 발전 산업의 고온 응용 분야에 널리 쓰입니다.
 

니켈(Nickel)

 
AM용 가용 합금: 인코넬 625, 718, 738, 939, Ni-Ti, 와스팔로이(Waspaloy), 하스텔로이(Hastelloy), ABD900AM, 헤인즈 282
 
니켈 합금은 2007년 금속 PBF 공정용으로 처음 상용화되었습니다.
 
현재 니켈 합금 수요는 인코넬 패밀리의 초합금, 특히 IN625와 IN718 합금이 주도합니다. 이들은 높은 경도, 인장 강도, 무엇보다 화학적·온도 저항성이 요구되는 응용 분야에서 탁월한 능력 덕분입니다.
 
이 두 합금 외에도 여러 헤인즈 초합금, 하스텔로이 초합금, 다양한 형태의 인코넬이 주요 금속 기업들에 의해 제공되며 점점 더 확립되고 있습니다.
 
현재 항공우주 산업이 니켈 기반 적층 제조 수요의 대부분을 주도하지만, 석유·가스, 에너지, 화학 처리 같은 일반 산업 분야에서도 니켈 초합금 3D 프린팅의 거대한 잠재력이 있습니다.
 

코발트(Cobalt)

 
AM용 가용 합금: MP1, CP2, Co-Cr, Co-Cr-MoC, 188 코발트 합금, 509 코발트 합금, CoCr-0404, CO502, CO90, CO212, Co49Fe2V
 

 
3D 프린팅용 최초 상용 코발트 초합금 출시는 2006년으로 거슬러 올라갑니다. 이후 의료와 항공우주 산업의 수요로 사용이 증가하고 있습니다.
 
코발트 초합금은 뛰어난 기계적 특성과 함께 내식성, 고온 저항성을 가집니다. 코발트 크롬 합금은 특히 우수한 생체적합성으로 의료(정형외과 임플란트)와 치과 응용에 적합합니다.
 

철(Iron)

 
AM용 가용 합금: 인바 36, Fe-Si, Fe-Ni
 
일부 금속 PBF 시스템 제조사는 인바 36 프린팅 가능성을 제공합니다. 인바 36은 극도로 낮은 열팽창이 특징인 니켈-철 합금으로, 넓은 온도 범위에서 높은 치수 안정성이 요구되는 라디오·전자 장치, 항공기 제어, 광학·레이저 시스템 부품에 쓰입니다.
 
주요 금속 분말 제조사 호가나스(Höganäs)는 AMPERPRINT 브랜드로 내마모성, 내마찰성, 내식성 철계 분말군을 제공합니다.
 

내열 금속(Refractory metals)

 
내열 금속은 놀라운 특성을 지녔지만 동시에 작업하기 극도로 어렵습니다.
 
오늘날 AM에서 내열 금속의 가장 흔한 용도는 강철, 니켈, 코발트 소재와 합금화해 많은 인기 초합금을 만드는 것입니다.
 
현재 AM용 내열 금속 분말을 제공하는 기업은 소수에 불과합니다.
 
H.C. 스타크 탄탈륨 앤 니오븀 GmbH(최근 TANIOBIS GmbH로 리브랜딩)는 그런 기업 중 하나로, AM용으로 설계된 원자화 탄탈륨과 니오븀(Ta/Nb) 분말 및 합금군을 AMtrinsic 브랜드명으로 제공합니다.
 
탄탈륨과 니오븀은 높은 녹는점, 높은 내식성, 높은 열전도율과 전기전도성으로 AM에 새로운 기회를 열 것이라고 TANIOBIS는 믿습니다.
 
이런 특성들은 기업들이 화학 처리, 에너지 부문, 다양한 고온 환경에 AM을 적용할 수 있게 할 것입니다.
 

계속 확장되는 금속 3D 프린팅 분말 레인지

 
금속 PBF에서 소재 개발은 진행 중입니다. 주조나 가공 같은 전통 제조에 비해 3D 프린팅용 가용 금속 수는 여전히 제한적입니다.
 
한 이유는 AM용 신금속 분말 개발에 드는 시간과 자원 때문입니다. 경우에 따라 개발 과정이 몇 년 걸리기도 합니다.
 
또 다른 이유는 하드웨어 한계입니다. 구리 분말의 경우 다른 금속과 다른 레이저 파장이 필요해 성공적으로 프린팅하기 어려웠습니다. 다행히 하드웨어 과제들이 극복되며 프린팅 가능 금속 범위가 확대되고 있습니다.
 
어려움에도 불구하고 금속 PBF의 미래는 밝습니다. 생산 현장에서 도입이 늘고 더 많은 산업이 기술을 수용함에 따라 새로운 응용을 열고 금속 3D 프린팅을 다음 단계로 이끌 새로운 소재 화학에 대한 관심이 증가하고 있습니다.