티타늄 3D 프린팅 가이드

재질 낭비 감소의 이점과 가벼운 디자인을 생성할 수 있는 능력으로 티타늄 3D 프린팅은 많은 산업 분야에서 틈새 시장을 찾고 있습니다.

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

오늘의 게시물에서는 티타늄이 3D 프린팅, 소재를 지원하는 기술 및 주요 산업 응용 분야에 적합한 선택이 되는 이유를 살펴봅니다.

티타늄의 독특한 특성

부문 속성 응용 프로그램 항공우주부식성
높은 강도 대 중량비
고온 저항기체 및 날개 구조
압축기 블레이드, 로터 및 기타 터빈 엔진 부품과 같은 소형 부품 의료우수한 강도
생체 적합성(무독성 , 비 알레르기) 척추, 엉덩이 및 무릎 임플란트와 같은 정형 외과 장치. 자동차 및 모터스포츠내식성
높은 강도 대 중량 비율
고온 저항브레이크 캘리퍼, 브래킷, 휠 림, 업라이트.

강하고 가벼우며 내부식성이 있다고 생각하면 티타늄을 인기 있는 소재로 만드는 핵심을 알 수 있습니다. 티타늄은 강철만큼 강하지만 밀도가 60%에 불과한 우수한 재료 특성으로 알려져 있습니다.

티타늄은 높은 밀도 대 강도 비율, 우수한 내식성 및 내화학성으로 인해 특히 바람직합니다. 항공 우주 및 방위 산업과 같은 고성능 산업.

여기서 티타늄 합금은 고온에서 기계적 특성을 유지할 수 있는 경량 부품이 필요한 응용 분야에 사용됩니다.

티타늄도 마찬가지입니다. 생체 적합성으로 알려져 있어 임플란트와 같은 의료 응용 분야에 이상적인 선택입니다.

그러나 티타늄은 다양한 이점을 제공하지만 여전히 상대적으로 비싼 재료입니다. 이는 금속이 상대적으로 소량 채굴되고 원시 티타늄을 가공하는 것이 여전히 복잡한 작업으로 남아 있기 때문에 철강과 같은 대체 금속보다 재료가 상당히 비쌉니다.

티타늄이 3D 프린팅에 적합한 이유는 무엇입니까?

티타늄은 특히 가공과 관련하여 작업하기 어려운 금속일 수 있습니다. 우선 티타늄은 열전도율이 낮습니다. 즉, 예를 들어 CNC 기계로 가공할 때 생성된 열이 CNC 도구에 저장되어 도구가 빨리 마모될 수 있습니다.

또한 가공은 재료를 절단하고 제거하는 작업을 포함하기 때문에 많은 재료 낭비가 발생할 수 있습니다. 결과적으로 많은 회사에서 티타늄 부품을 생산하기 위한 더 나은 대안을 찾고 있습니다.

금속 3D 프린팅이 그 실행 가능한 대안으로 입증되고 있습니다.

금속 3D 프린팅에서 가장 일반적으로 사용되는 티타늄 등급은 합금 Ti6Al4V(Ti64)입니다. Ti64 외에도 순수 티타늄으로 3D 프린팅이 가능합니다.

티타늄을 사용한 3D 프린팅의 이점

티타늄 3D 프린팅에는 많은 이점이 있습니다.

항공우주 분야의 경우 티타늄을 3D 프린트 부품에 사용하면 구매 비율을 낮추는 데 도움이 됩니다. 항공 우주 산업에서 유래한 이 용어는 원래 구매한 재료의 무게와 완성된 부품의 무게 사이의 상관 관계를 나타냅니다.

예를 들어, 기존 제조에서 티타늄 항공기 부품은 12:1에서 25:1 사이의 구매 대 비행 비율을 가질 수 있습니다. 이는 1kg의 부품을 생산하기 위해 12~25kg의 원료가 필요하다는 것을 의미합니다. 이 시나리오에서는 재료의 최대 90%가 기계로 제거됩니다.

금속 3D 프린팅은 티타늄 부품의 이 비율을 3:1에서 12:1 사이로 줄일 수 있습니다. 이는 금속 3D 프린터가 일반적으로 부품을 만드는 데 필요한 양의 재료만 사용하기 때문에 지지 구조에서 약간의 낭비만 발생하기 때문입니다. 티타늄과 같은 값비싼 재료의 경우 이러한 감소된 구매 비율로 인한 비용 절감은 상당히 중요할 수 있습니다.

적층 가공은 토폴로지 최적화 덕분에 티타늄의 경량 특성을 향상시킬 수도 있습니다. 토폴로지 최적화 소프트웨어를 사용하여 엔지니어는 하중 및 강성 제약 조건과 같은 특정 요구 사항을 설정한 다음 소프트웨어 도구가 이러한 요구 사항을 충족하도록 초기 설계를 최적화하도록 합니다. 이러한 최적화를 통해 불필요한 재료가 디자인에서 제거되어 더 가볍지만 강력한 구성 요소가 생성됩니다.

위상적으로 최적화된 설계는 종종 적층 제조 기술의 도움으로만 제조할 수 있습니다. 이러한 이점은 경량 3D 인쇄 티타늄 부품이 무게를 줄이고 항공기 성능을 향상시킬 수 있는 항공우주 산업에서 특히 높이 평가됩니다.

티타늄을 지원하는 기술은 무엇입니까?

티타늄 부품을 만드는 데 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 금속 3D 프린팅 방법은 DED(직접 에너지 증착), EBM(전자빔 용융) 및 SLM(선택적 레이저 용융)입니다.

직접 에너지 증착

티타늄을 3D 프린팅하려는 첫 번째 노력은 1997년 Aeromet Corporation에서 시작되었습니다. Aeromet Corporation은 DED 기술을 사용하여 항공 우주 산업용 부품을 생산했습니다.

DED에서는 레이저나 빔과 같은 고강도 에너지원이 노즐을 통해 기판에 증착될 때 티타늄 분말(또는 와이어)을 녹이기 위해 사용됩니다. 여기서 주요 이점은 비교적 높은 재료 증착 속도(최대 320cc/h)로 대형 부품을 생성할 수 있다는 것입니다.

오늘날 Sciaky의 EBAM(전자빔 적층 제조) 및 WAAM(와이어 아크 적층 제조)을 포함하여 DED 기술의 다양한 변형이 있습니다.

전자빔 용해

스웨덴 회사인 Arcam은 티타늄 3D 인쇄 임플란트 및 항공우주 부품을 가능하게 하는 EBM 기술을 개발하고 있습니다. EBM에서 전자빔은 금속 분말 층에 적용되어 이전 층과 용융 및 융합됩니다.

EBM은 DED보다 더 정확하고 더 작고 복잡한 부품에 적합한 것으로 간주됩니다. 특히, EBM 공정은 진공 및 고온에서 발생합니다. 그 결과 3D 프린팅 부품의 잔류 응력이 최소화되며, 이는 부품에 후속 열처리가 필요하지 않음을 의미합니다.

2013년, Arcam은 정형외과 임플란트와 항공우주 산업을 각각 겨냥한 두 개의 AM 기계인 Arcam Q10과 Arcam Q20을 출시했습니다. Arcam Q20은 Ti6Al4V 합금과 함께 작동하도록 특별히 설계되었습니다.

Arcam은 또한 티타늄 알루미나이드와 같이 균열이 생기기 쉬운 새로운 티타늄 합금을 인쇄할 수 있는 Arcam Spectra H 3D 프린터도 출시했습니다.

선택적 레이저 용융

EBM과 마찬가지로 SLM은 분말 베드 융합 공정이지만 전자빔 대신 레이저 빔을 사용하여 금속 분말 층을 녹이고 융합합니다. SLM 공정에서 한 층의 두께는 20미크론만큼 얇을 수 있으므로 DED 및 EBM과 비교할 때 이 기술이 훨씬 더 정확합니다.

티타늄 3D 프린팅의 응용

항공 우주는 티타늄 3D 프린팅의 주요 응용 분야를 지배합니다. 하지만 의료, 모터스포츠, 화학 및 해양과 같은 다른 산업에서도 티타늄 부품을 생산하는 기술을 조사하기 시작했습니다.

항공우주

항공우주 회사의 경우 3D 프린팅 티타늄은 하중이 많이 걸리는 구조물의 무게를 줄이는 데 도움이 되므로 제트 엔진, 가스 터빈 및 많은 기체 구성 요소에 매우 적합합니다.

대부분의 가장 큰 항공우주 회사는 3D 인쇄된 티타늄 부품을 항공기에 통합하고 있습니다.

Liebherr-항공우주 및 운송 SAS

예를 들어, 항공우주 공급업체인 Liebherr-Aerospace &Transportation SAS는 올해 초 Airbus A350 XWB용 3D 인쇄 티타늄 노즈 랜딩 기어 브래킷의 양산을 시작했습니다. 이 브래킷은 3D 인쇄 티타늄으로 생산되는 최초의 Airbus 부품이 될 것입니다.

Boeing 및 Norsk Titanium

보잉도 티타늄 3D 프린팅에 투자했습니다. 보잉은 2015년부터 노르웨이 금속 3D 프린팅 회사인 Norsk Titanium과 협력하여 787 Dreamliner용 대형 구조용 티타늄 부품을 생산하고 있습니다. 2017년에 그들은 Norsk의 독점 RPD(Rapid Plasma Deposition) 기술의 도움으로 만들어진 이름 없는 티타늄 부품을 FAA 인증을 받았습니다.

DED 공정을 기반으로 하는 RDP는 플라즈마 토치와 함께 티타늄 와이어를 사용하여 대형 티타늄 구조 부품을 인쇄합니다. 이 기술은 분말 기반 시스템보다 50~100배 더 빠르고 단조 공정보다 티타늄을 25~50% 적게 사용하는 것으로 알려졌다. 리드 타임을 단축하고 재료 낭비를 줄임으로써 Boeing은 항공기당 최대 300만 달러를 절약할 수 있습니다.

현재 티타늄 3D 프린팅은 브래킷 및 하우징과 같은 소형 항공기 부품에 대해 주로 연구되고 있습니다. 그러나 미래에는 무게, 비용 및 개발 시간의 절감으로 인해 훨씬 ​​더 큰 구조적 구성 요소로 사용이 확대될 수 있습니다.

의료

티타늄의 무독성, 고강도 및 내식성은 정형외과 및 치과 임플란트에 매력적인 소재입니다.

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

Osseus의 티타늄 척추 임플란트

이러한 장치를 개발하는 회사 중 하나는 미국에 기반을 둔 Osseus Fusion System입니다. Aries-L Interbody Fusion Devices라고 하는 3D 인쇄 티타늄 척추 임플란트는 독점적인 다축 메쉬와 최적화된 미세 표면 토폴로지를 특징으로 하여 뼈가 더 빨리 융합되도록 합니다. 이러한 복잡한 기능을 가능하게 하기 위해 Osseus는 Aries 장치를 FDA 인증 SLM 3D 프린터로 인쇄합니다.

척추, 엉덩이 및 무릎 임플란트와 같은 정형 외과 장치에 티타늄 3D 프린팅의 사용이 증가하고 있습니다. 최근 Smartech 보고서에 따르면 2020년까지 3D 프린팅 티타늄의 의료 응용 분야는 약 274,000kg의 티타늄을 차지할 것입니다. 이는 의료 산업에서 티타늄 3D 프린팅에 대한 매우 긍정적인 전망을 제시합니다.

자동차 및 모터스포츠

Bugatti의 티타늄 브레이크 캘리퍼

항공우주 및 의료에 비해 자동차 산업은 티타늄 3D 프린팅을 빠르게 채택하지 않았습니다. 동일한 이점이 적용되지만 소비자 자동차 시장은 비용에 매우 민감하여 대부분의 차량에서 이 값비싼 재료의 사용을 제한합니다.

현재 티타늄 3D 인쇄 부품은 경주용 자동차 및 무게와 성능이 중요한 요소인 고급 차량.

자동차에 티타늄 3D 프린팅을 사용한 가장 두드러진 사례 중 하나는 Bugatti Chiron 슈퍼카용으로 개발된 Bugatti의 브레이크 캘리퍼입니다.

제동 시스템의 필수 부품인 브레이크 캘리퍼의 크기는 41 x 21 x 13.6cm이며 SLM 기술을 사용하여 45시간 만에 3D 프린팅되었습니다. 완성된 부품은 가공된 알루미늄 대안보다 약 40% 가볍다고 합니다.

작년에 이 회사는 브레이크 캘리퍼를 성공적으로 테스트하여 극한의 강도, 강성 및 온도 요구 사항을 충족할 수 있음을 입증했습니다.

Bugatti는 브레이크 캘리퍼 외에도 활성 스포일러 브래킷 생산에 티타늄 3D 프린팅을 사용했습니다. Siemens와의 파트너십을 통해 부품은 무게를 줄이는 동시에 강도를 유지하도록 최적화되어 무게가 53% 감소하고 강성이 향상되었습니다.

HRE의 3D 인쇄 티타늄 휠

미국의 휠 림 제조업체인 HRE는 티타늄 3D 프린팅의 혜택을 받는 또 다른 회사입니다. HRE의 주요 목표는 휠 림을 생산할 때 낭비되는 재료의 양을 줄이는 것이었습니다.

HRE는 EBM 기술을 사용하여 복잡한 모양의 휠 림을 3D 프린팅하고 이 과정에서 19%의 무게 감소를 달성했습니다.

이 응용 프로그램에 대한 전통적인 생산 방법으로 발생하는 재료 폐기물은 최대 80%에 달할 수 있습니다. HRE는 3D 프린팅의 경우 낭비되는 재료가 5%를 초과하지 않는다고 말합니다.

HRE는 휠 림을 상용 제품이라기보다 기술 쇼케이스로 간주합니다. 그렇긴 하지만 이 프로젝트는 휠 설계 및 제조의 미래가 어떻게 될 것인지 엿볼 수 있는 기회를 제공합니다.

티타늄 3D 프린팅 및 모터스포츠

모터스포츠에서 티타늄 3D 프린팅은 경주용 자동차를 비롯한 고성능 경량 차량을 생산하는 데 "중요한 전략적 역할"을 합니다.

Oxford Brookes Formula Student 팀의 한 예가 있습니다. 영국의 MTC(제조 기술 센터)와 협력하여 팀은 EBM 기술을 사용하여 차량의 수직을 재설계하고 제작했습니다. 이 과정을 통해 팀은 50%의 무게 절감을 달성했습니다.

티타늄 3D 프린팅의 과제

티타늄 3D 프린팅의 장점에도 불구하고 고려해야 할 몇 가지 문제가 있습니다.

첫 번째는 첨가제 기술과 함께 티타늄을 사용하기 위한 표준을 개발할 필요가 있다는 것입니다. 일부 회사는 이미 이 방향으로 조치를 취하고 있습니다. 2018년에 Boeing과 Oerlikon은 티타늄 3D 프린팅을 표준화하고 인쇄된 부품이 FAA 및 DoD 비행 요구 사항을 충족하는지 확인하는 데 중점을 둔 5년 파트너십에 서명했습니다.

두 번째 문제는 티타늄 분말의 높은 가격에 있습니다. 예를 들어, 3D 프린팅에 최적화된 티타늄 분말의 비용은 $300에서 $600 사이입니다.

티타늄 킬로그램당 실제 재료 비용을 줄이기 위해 일부 분말 생산자는 대체 분말 생산 ​​방법을 개발했습니다. 예를 들어, 캐나다의 PyroGenesis는 25kg/h 이상의 속도로 티타늄을 포함한 금속 분말을 생산하는 NexGen™ 플라즈마 원자화 시스템을 사용하고 있습니다. 더 높은 생산율로 회사는 경쟁력 있는 저렴한 가격으로 티타늄을 생산할 수 있습니다.

영국에 본사를 둔 Metallysis는 티타늄 가격을 낮출 수 있는 또 다른 분말 생산 ​​방법을 개발했습니다. 이 방법은 전기분해 형태를 사용하여 원시 산화티탄을 티타늄 분말로 변환합니다. 이 기술의 주요 장점은 기존의 분말 생산 ​​방식에 비해 친환경성과 저렴한 비용에 있습니다.

2018년 9월 Metallysis는 다른 합금과 함께 티타늄 분말의 상업적 생산을 시작하여 연간 10~100톤의 금속 분말을 공급할 계획입니다.

SmarTech Analysis에 따르면 새로운 티타늄 분말 제조 방법이 잠재력을 발휘할 수 있다면 티타늄 1kg의 평균 가격은 2024년까지 17% 감소할 수 있습니다.

티타늄 3D 프린팅:탁월한 조합

티타늄 3D 프린팅은 항공우주, 의료 및 자동차 분야에서 가치 있는 기술이 되었습니다. 그 주된 이유는 티타늄의 우수한 특성과 낭비를 줄이고 복잡하고 가벼운 디자인을 만드는 3D 프린팅의 능력이 훌륭하게 조합되었기 때문입니다.

앞으로 티타늄의 가격이 낮아지고 더 많은 응용 분야가 발견됨에 따라 티타늄 3D 프린팅은 훨씬 더 광범위한 산업 분야에서 훌륭한 제조 대안이 될 것입니다.