귀금속 3D 프린팅 – 새로운 접근 방식?

SmarTech의 최근 연구에 따르면 적층 제조의 귀금속 재료 시장은 2028년까지 2억 5천만 달러로 평가되었습니다. 이는 3D 프린팅이 아직 개발 초기 단계에 있지만 꾸준히 성장하고 있는 영역임을 보여줍니다. 금, 은 또는 백금과 같은 3D 프린팅 귀금속은 높은 수준의 사용자 정의 및 설계 자유도가 있는 소량의 고급 응용 프로그램에 이상적입니다. 이를 염두에 두고 보석, 시계 제조, 치과 및 전자 산업과 같은 산업은 이러한 재료를 사용한 3D 프린팅의 이점을 크게 누릴 수 있습니다.

귀금속을 이용한 3D 프린팅의 작동 원리, 기술의 한계, 향후 응용 분야가 어떻게 발전할 수 있는지 살펴보겠습니다.

직접 및 간접 제조

귀금속을 3D 프린팅하는 데에는 직접 제조의 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다. . 간접 제조의 경우 3D 프린팅을 사용하여 기존 공정을 위한 금형 및 금형과 같은 도구를 생산합니다. 반면에 다이렉트 3D 프린팅은 설계에서 직접 부품을 생성하는 것을 의미합니다.

간접 제조 귀금속에는 매몰 주조에 사용할 왁스 패턴을 3D 프린팅하는 것이 포함됩니다. SLA(Stereolithography)는 일반적으로 주조 가능한 왁스 같은 수지에서 이러한 패턴을 만드는 데 사용됩니다. 이 과정에서 UV 광선 레이저는 액체 포토폴리머(수지) 층 위로 이동하여 재료를 선택적으로 응고시킵니다. 왁스 패턴이 완성되면 석고와 같은 내열성 재료로 덮고 왁스를 녹이는 오븐에 넣고 굳은 석고 틀만 남깁니다. 이 과정을 "로스트 왁스"라고도 합니다. 그런 다음 녹은 귀금속을 몰드에 붓고 왁스가 남긴 공간을 채웁니다.

이 프로세스는 손으로 조각하는 모델과 관련된 시간과 노력을 절약하는 동시에 보석 제조업체가 매우 복잡한 맞춤형 보석 작품을 디자인할 수 있게 해주기 때문에 보석 산업에 특히 유용합니다. 현재 3D 프린터 시장은 왁스 패턴 생산에 적합한 광범위한 SLA 기계를 제공합니다.

반대로 직접 3D 프린팅 , 제조업체는 CAD 파일에서 직접 귀금속 부품을 생성할 수 있습니다. 귀금속을 사용한 직접 3D 인쇄에 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 3D 인쇄 기술은 DMLS(직접 금속 레이저 소결) 및 재료 분사입니다.

직접 제조 자세히 살펴보기

직접 제조는 간접 3D 프린팅에 비해 아직 초기 단계입니다. DMLS(직접 금속 레이저 소결)는 금속 부품을 생산하는 가장 일반적인 적층 제조 방법 중 하나이지만 귀금속 분말의 레이저 소결은 부분적으로 이러한 재료로 작업하는 데 고유한 어려움 때문에 최근에야 가능해졌습니다.

귀금속 분말은 또한 연구 개발에 비용이 많이 듭니다. 또한 금과 은과 같은 많은 귀금속은 반사율이 높고 열전도율이 높습니다. 이것은 일반적인 AM 레이저가 재료를 완전히 녹여서 균일한 부품을 만들 수 없음을 의미합니다. 그러나 이러한 어려움에도 불구하고 일부 AM 제조업체는 DMLS를 사용하여 귀금속 재료를 처리할 수 있는 기계를 개발했습니다.

시장에 나와 있는 기계

예를 들어 독일 제조업체 EOS는 영국 기반 귀금속 회사 Cooksongold와 협력하여 2014년 EOS PRECIOUS M 080 3D 프린터를 출시했습니다. 이 시스템을 통해 금과 은에서 백금에 이르기까지 다양한 귀금속 분말 합금을 사용할 수 있습니다. 및 팔라듐 합금.

마찬가지로 보석 회사 Boltenstern은 PRECIOUS M 080을 사용하여 금과 백금으로 3D 인쇄된 "Embrace" 보석 컬렉션을 만들었습니다. 이 기술은 복잡한 디자인의 제품을 만드는 동안 사용자 정의 수준 이전에는 달성할 수 없었던 것을 가능하게 했습니다. 컬렉션에는 팔찌, 귀걸이, 반지, 목걸이, 커프스 단추와 같은 보석류가 포함되었습니다.

이탈리아에 기반을 둔 기계 제조업체 Sisma는 귀금속(청동, 금 및 여러 귀금속 합금) 및 2014년에는 비귀금속 분말을 생산했습니다. 그리고 2016년에는 소형 시리즈 및 중형 제품 생산에 적합한 더 큰 mysint300 기계로 3D 프린터 포트폴리오를 확장했습니다.

3D 프린팅 백금

3D 프린팅 백금은 특히 흥미로운 사용 사례입니다. 이 재료는 높은 용융 온도와 도가니 및 매몰 몰드 재료와의 높은 반응성으로 인해 주조하기가 매우 어렵습니다. 이는 높은 생산 비용, 특정 장비의 필요성 및 최종 제품의 빈번한 결함을 초래하여 레이저 소결을 주조에 대한 더 나은 대안으로 만듭니다. 귀금속 회사인 Cooksongold는 3D 인쇄된 백금의 밀도가 99.9% 이상에 도달할 수 있는 반면 주조된 백금의 밀도는 99.2%라고 추정했습니다.

치과

치과 산업 내에서 3D 프린팅 귀금속은 치아 수복물에 사용되어 크라운, 인레이 및 온레이의 소량 배치를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 치과 디지털 기술을 전문으로 하는 Argen은 고귀금속(금 및 팔라듐 합금), 귀금속(팔라듐) 및 비귀금속 합금을 사용하여 금속 3D 프린팅을 위해 Concept Laser 기계를 사용하여 수요에 따라 완전히 조밀한 맞춤형 의치를 생산합니다.

전자제품

Material Jetting은 DMLS와 완전히 다른 적층 제조 공정으로, 레이어별로 재료 방울을 증착하는 프린트 헤드를 사용합니다. 이 액적은 자외선으로 응고됩니다.

귀금속의 경우 Material Jetting은 일반적으로 전도성이 높은 은색 또는 금색 잉크와 함께 안테나, PCB 프로토타입, 회로 및 센서와 같은 3D 인쇄 전자 장치에 사용됩니다. 이스라엘 회사인 Nano Dimensions는 DragonFly 2020 Pro 3D 프린터로 이 분야를 개척하고 있습니다. 독점 잉크젯 증착 시스템을 사용하는 DragonFly 2020 Pro는 전도성(은색) 및 유전체 잉크로 동시에 인쇄하여 전기 기능 부품을 생성할 수 있습니다.

귀금속을 사용하는 3D 인쇄 전자 분야의 또 다른 주요 업체는 Optomec입니다. 미국 회사는 특히 Aerosol Jet 프린터 라인을 위해 다양한 귀금속(금, 백금, 은, 구리) 및 비귀금속 잉크를 개발했습니다. 라인의 최신 3D 프린터인 Aerosol Jet HD가 올해 초 시장에 출시되었습니다. 기본 기술에는 에어로졸 미스트를 생성하는 잉크의 분무기가 포함되며, 이후에 공기역학적 포커싱의 도움으로 기판에 증착됩니다.

저항기에서 안테나 및 센서에 이르기까지 전자 부품은 Aerosol Jet 기술을 사용하여 만들 수 있습니다. 예를 들어, Carnegie Mellon University의 연구원들은 이 기술을 사용하여 고온 스트레인 게이지를 3D 인쇄할 수 있었습니다. 스트레인 게이지는 재료 또는 구조의 변형을 측정하는 데 사용되는 센서로 구성 요소의 구조적 문제를 감지하는 데 도움이 됩니다. 스트레인 게이지는 은 나노 입자로 만들어졌으며 상업적으로 이용 가능한 것보다 우수한 성능을 보여주었으며 항공 우주 및 원자력 및 발전 시스템과 같은 기타 고성능 산업에 특히 유용할 수 있습니다.

미래를 내다보며

간접 3D 프린팅이 귀금속 작업 시 가장 인기 있는 옵션으로 남아 있지만 보석에서 전자 산업에 이르기까지 직접 3D 프린팅된 귀금속의 이점을 꾸준히 인식하고 있습니다. 그러나 값비싼 장비부터 적합한 귀금속 분말 및 잉크 개발의 어려움까지 광범위한 채택에 대한 장벽이 존재합니다.

그럼에도 불구하고 더 많은 사용자 정의와 더 빠른 시장 출시에 대한 추세가 계속됨에 따라 더 멀리 내다보면 3D 인쇄된 보석 및 치과 제품을 보다 직접적으로 보게 될 것입니다. 또한 귀금속 잉크 분야에서 더 많은 연구가 진행되고 있습니다. 우리는 3D 인쇄 전자 제품이 사물 인터넷 진화의 다음 단계인 3D 인쇄 센서와 안테나를 통해 많은 고성능 산업에 혁명을 일으킬 수 있다고 생각합니다.