3D 프린팅 티타늄 분말
목차
개요 3D 프린팅 티타늄 분말
티타늄은 강하고 가벼우며 부식에 강한 금속으로 항공우주, 자동차, 의료 및 기타 까다로운 응용 분야의 복잡한 형상을 3D 프린팅하는 데 이상적입니다. 티타늄 분말은 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)과 같은 파우더 베드 융합 기술을 사용하여 우수한 기계적 특성을 가진 고밀도 금속 부품을 프린팅하는 데 사용할 수 있습니다.
이 문서에서는 구성, 특성, 사양, 용도, 장단점, 공급업체, 비용 등을 다루는 3D 프린팅 티타늄 파우더에 대한 종합적인 가이드를 제공합니다.
구성 3D 프린팅 티타늄 분말
적층 제조용 티타늄 분말은 거의 전적으로 티타늄 원소로 구성되어 있습니다. 그러나 알루미늄, 바나듐, 철, 산소, 질소 및 탄소와 같은 다른 원소도 소량 함유되어 있을 수 있습니다.
분말 베드 융합용 티타늄 등급
| 등급 | 구성 |
|---|---|
| Ti 6Al-4V | 90% 티타늄, 6% 알루미늄, 4% 바나듐 |
| Ti 6Al-4V ELI | Ti 6Al-4V와 동일하지만 간극 산소, 철 및 질소 제한이 더 낮습니다. |
| 상업용 순수 티타늄 1등급 | 99.2% 최소 티타늄 |
| 상업용 순수 티타늄 2등급 | 99.5% 최소 티타늄 |
| 상업용 순수 티타늄 3등급 | 99.8% 최소 티타늄 |
| 상업용 순수 티타늄 4등급 | 99.9% 최소 티타늄 |
Ti 6Al-4V는 중량 대비 강도, 용접성 및 내식성이 뛰어나 오늘날 적층 제조에 가장 많이 사용되는 소재입니다. ELI 변형은 연성과 파단 인성이 개선되었습니다.
상업적으로 판매되는 순수 티타늄 등급은 강도는 낮지만 의료용 임플란트에 대한 생체 적합성이 더 우수합니다. 산소 함량이 높은 5등급 티타늄은 일반적으로 파우더 베드 용융에 사용되지 않습니다.
속성 3D 프린팅 티타늄 분말 부속
3D 프린팅 티타늄 부품은 전통적으로 제조된 티타늄과 유사하거나 그 이상의 특성을 구현할 수 있으며, 디자인 자유도가 높다는 이점이 있습니다.
기계적 특성
| 속성 | Ti 6Al-4V | Ti 6Al-4V ELI | CP Ti 2등급 |
|---|---|---|---|
| 인장 강도 | 930 - 1050 MPa | 860 - 965 MPa | 345 - 485 MPa |
| 수율 강도 | 825 - 890 MPa | 795 - 875 Mpa | ≥ 275 MPa |
| 휴식 시 신장 | 8 – 15% | ≥10% | 20% |
| 피로 강도 | ≥ 400 MPa | ≥ 550 MPa | 275 - 550 MPa |
| 골절 인성 | 55 - 115 MPa√m | ≥ 100 MPa√m | N/A |
3D 프린팅 티타늄은 기존 티타늄 제조 방식에 필적하는 강성, 경도, 내마모성을 갖췄습니다. 열간 등방성 프레싱(HIP)과 같은 후처리를 통해 소재의 특성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
장점
- 높은 중량 대비 강도 비율
- 내식성
- 생체 적합성 및 골유착성
- 토폴로지 최적화를 위한 자유로운 설계
- 감산 방식에 비해 낭비 감소
- 컨포멀 냉각 채널로 성능 향상
제한 사항
- 산소와의 반응성이 높아 취급이 어렵습니다.
- 다공성과 같은 인쇄 결함으로 인해 피로 수명이 단축될 수 있습니다.
- 고가의 파우더 재료와 재활용 문제
- 머티리얼 사양을 달성하기 위해 후처리가 필요할 수 있습니다.
사양 3D 프린팅 티타늄 분말
적층 제조에 사용되는 티타늄 분말은 입자 크기 분포, 형태, 화학 및 기타 속성에 대한 엄격한 표준을 충족해야 합니다.
크기 분포
| 매개변수 | 일반 값 | 역할 |
|---|---|---|
| 입자 크기 범위 | 15 - 45 미크론 | 최소 피처 해상도, 파우더 확산성 결정 |
| D10 | 20 미크론 | 더 미세한 분말 비율을 나타냅니다. |
| D50 | 30 미크론 | 입자 크기 중앙값 |
| D90 | 40 미크론 | 더 큰 입자를 나타냅니다. |
| 겉보기 밀도 | 2.7g/cc | 파우더 베드의 포장 밀도는 재현성에 영향을 미칩니다. |
파우더가 부드럽게 퍼지도록 새틀라이트가 거의 없는 구형에 가까운 형태를 가져야 합니다. 화학 성분은 불순물 수준이 낮은 등급 사양을 준수해야 합니다.
기타 중요 속성
- 유동성
- 잔류 산소 및 질소 함량
- 겉보기 및 탭 밀도 일관성
- 재활용 가능성
- 프로세스와의 화학적 호환성
- 취급 특성
각 파라미터에 대한 엄격한 품질 요구 사항을 충족하는 것은 결함 없는 빌드를 위해 매우 중요합니다.
응용 3D 프린팅 티타늄 분말
| 산업 | 애플리케이션 | 3D 프린팅 티타늄의 장점 |
|---|---|---|
| 항공우주 및 항공 | – 항공기 부품(날개 부품, 랜딩기어 부품) – 로켓 엔진 부품 – 위성 구조물 | – 경량화: 무게가 줄어들면 연료 효율성이 향상되고 비행 거리가 길어집니다. – 높은 중량 대비 강도 비율: 티타늄 부품은 강하면서도 가벼워 항공기 성능에 매우 중요합니다. – 자유로운 디자인: 최적화된 성능과 무게 배분을 위해 복잡한 내부 구조를 인쇄할 수 있습니다. |
| 의료 및 치과 | – 임플란트(고관절 교체, 무릎 교체, 치과 임플란트, 두개골 임플란트) – 수술 기구 – 맞춤형 보철물 | – 생체 적합성: 티타늄은 인체에 잘 견디므로 거부 위험이 최소화됩니다. – 사용자 지정: 3D 프린팅을 사용하면 환자의 해부학적 구조와 완벽하게 일치하는 환자별 임플란트를 제작할 수 있어 핏과 기능이 향상됩니다. – 다공성 구조: 임플란트는 더 나은 장기 안정성을 위해 뼈 내부 성장을 촉진하는 다공성 구조로 프린팅될 수 있습니다. |
| 자동차 | – 고성능 엔진 부품(커넥팅로드, 피스톤) – 자동차 경량 부품 – 레이싱 부품 | – 강도 및 내구성: 티타늄은 엔진에서 흔히 발생하는 높은 온도와 압력을 견뎌냅니다. – 무게 감소: 부품이 가벼워지면 연비와 핸들링이 향상됩니다. – 복잡한 지오메트리: 3D 프린팅은 냉각 또는 오일 흐름을 위한 복잡한 내부 채널을 허용합니다. |
| 소비재 및 스포츠 | – 고급 자전거 프레임 – 스포츠 보철 – 보석 및 안경 | – 독특한 디자인 및 맞춤화: 3D 프린팅을 통해 개인화된 디자인과 기능이 가능해졌습니다. – 강도 및 경량: 내구성과 최소한의 무게를 모두 요구하는 용도에 이상적입니다. – 생체 적합성: 피부와 접촉하는 보철물 및 일부 보석 응용 분야에 적합합니다. |
| 석유 및 가스 | – 다운홀 도구 및 장비 – 부식 방지 파이프 및 밸브 | – 내식성: 티타늄은 화학물질과 바닷물에 노출되는 가혹한 환경에서 탁월한 성능을 발휘합니다. – 높은 강도: 오일 및 가스 추출 시 발생하는 높은 압력과 스트레스를 견뎌냅니다. – 무게 감소: 더 가벼운 도구는 깊은 유정에서 조작하기가 더 쉬울 수 있습니다. |
| 연구개발 | – 복잡한 부품 프로토타입 제작 – 새로운 디자인 및 재료 테스트 | – 신속한 반복: 3D 프린팅을 사용하면 새로운 디자인을 빠르게 만들고 테스트할 수 있습니다. – 자유로운 디자인: 연구 목적으로 복잡한 형상을 인쇄할 수 있습니다. – 재료 탐색: 특성 평가를 위해 다양한 티타늄 합금 또는 복합재로 프린팅할 수 있습니다. |
3D 프린팅 티타늄 분말 공급업체
대부분의 티타늄 분말 공급업체는 적층 가공에 적합한 Ti 6Al-4V 등급을 제공합니다. 일부는 맞춤형 합금 설계 서비스도 제공합니다.
주요 티타늄 분말 회사
| 회사 | 제공된 성적 | 서비스 |
|---|---|---|
| AP&C | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | 맞춤형 합금 개발 |
| Tekna | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | 고급 혈장 스페로이드화 |
| 목수 첨가제 | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | 광범위한 QA 테스트 |
| 프렉스에어 | Ti 6Al-4V | 질소 분무 |
| Epoch | 상업용 순수 티타늄 | 소량 주문 |
EOS 및 SLM 솔루션과 같은 많은 3D 프린터 OEM 업체에서도 관련 티타늄 파우더를 제공합니다. 재활용 파우더는 비용이 저렴하지만 불순물 함량이 높습니다.
티타늄 분말 비용
| 등급 | 형태학 | 가격 범위 |
|---|---|---|
| Ti 6Al-4V | 구형 | kg당 $350-$1000 |
| Ti 6Al-4V ELI | 구형 | kg당 $500-$2000 |
| CP Ti 등급 1-4 | 불규칙 | kg당 $100-$500 |
비용은 주문량, 품질, 공급업체 마진, 재활용에 따라 크게 달라집니다.
장점과 단점 3D 프린팅 티타늄 분말
| 기능 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|
| 머티리얼 속성 | * 높은 중량 대비 강도 비율: 티타늄은 경량이면서 뛰어난 강도를 자랑하며 항공우주 및 자동차 산업에서 중량 감소가 요구되는 응용 분야에 이상적입니다. * 내식성: 티타늄은 자연적으로 부식에 대한 저항력이 뛰어나 해양 또는 화학적 환경과 같은 혹독한 환경에 노출되는 부품에 적합합니다. * 생체 적합성: 티타늄의 생체적합성 특성으로 인해 의료용 임플란트에 안전하게 사용할 수 있으며 장기적인 기능성을 위해 골유착(뼈와의 융합)을 촉진합니다. | * 제한된 재료 선택: 다양한 재료를 사용하는 기존 제조와 비교할 때, 티타늄 분말을 사용한 3D 프린팅은 현재 특정 범위의 티타늄 합금으로 제한됩니다. |
| 디자인과 생산 | * 자유로운 디자인: 3D 프린팅은 기존의 절삭 제조 방법으로는 불가능했던 복잡한 형상을 생성할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 이를 통해 성능을 최적화하고 무게를 줄이는 복잡한 설계가 가능합니다. * 신속한 프로토타이핑: 디지털 모델에서 프로토타입을 신속하게 인쇄하는 기능을 통해 설계 반복 및 제품 개발 주기가 더욱 빨라집니다. * 재료 낭비 감소: 상당한 양의 스크랩이 발생하는 절삭 가공과 달리 티타늄 분말을 사용한 3D 프린팅은 설계에 필요한 재료만 사용하므로 폐기물과 생산 비용이 최소화됩니다. | * 높은 초기 투자 비용: 티타늄 분말용으로 특별히 설계된 3D 프린터의 비용은 상당할 수 있으므로 주로 고부가가치 응용 분야나 대규모 생산 시설에 적합한 투자입니다. * 사후 처리 요구 사항: 3D 프린팅된 티타늄 부품은 원하는 기계적 특성과 미적 특성을 얻기 위해 열처리, 지지대 제거, 표면 마감과 같은 추가 후처리 단계가 필요한 경우가 많습니다. |
| 애플리케이션 | * 항공우주: 항공기 구조, 기체 및 엔진 부품을 위한 경량, 고강도 구성 요소를 만드는 능력 덕분에 티타늄 3D 프린팅은 항공우주 산업에서 귀중한 도구가 되었습니다. * 의료: 보철물, 치과용 임플란트, 두개골 임플란트와 같은 생체 적합성 티타늄 임플란트는 환자별 요구 사항에 맞는 맞춤형 부품을 제작할 수 있는 3D 프린팅 기능의 이점을 활용합니다. * 모터스포츠: 모터스포츠에서는 체중 감량이 매우 중요합니다. 피스톤, 커넥팅 로드, 서스펜션 부품과 같은 3D 프린팅 티타늄 부품은 성능과 핸들링 향상에 기여합니다. | * 제한된 가용성 및 전문성: 3D 프린팅 티타늄 분말에 필요한 특수 장비와 전문 지식으로 인해 특히 소규모 제조업체나 생산량이 적은 응용 분야에서는 광범위한 채택이 제한될 수 있습니다. * 안전 문제: 티타늄 분말을 취급하는 과정은 인화성과 호흡기 문제 가능성으로 인해 건강에 위험을 초래할 수 있습니다. 안전한 작업 환경을 위해서는 적절한 안전 프로토콜과 장비가 필수적입니다. |
티타늄 인쇄 프로세스 비교
| 프로세스 | 기술 | 재료 공급 원료 | 빌드 엔벨로프(in³) | 장점 | 단점 | 애플리케이션 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 전자빔 용융(EBM) | 고출력 전자빔은 진공 챔버에서 티타늄 분말을 층별로 녹입니다. | 티타늄 분말 | 최대 50x50x50 | – 탁월한 표면 조도 및 치수 정확도 – 중량 대비 강도 비율이 높은 강력하고 그물 모양에 가까운 부품 – 잔류 응력 최소화 | – 장비 및 운영 비용이 높음 – 다른 방법에 비해 빌드 범위가 제한됨 – 비지지 표면의 거친 표면 질감 | – 항공우주 부품(터빈 블레이드, 랜딩기어) – 의료용 임플란트(고관절, 치과용 임플란트) |
| 레이저 빔 용융(LBM) | 고출력 레이저 빔은 불활성 가스 환경에서 티타늄 분말을 층별로 녹입니다. | 티타늄 분말 | 최대 120x120x120 | – 높은 정밀도와 분해능 – 광범위한 호환 가능 티타늄 합금 – 우수한 기계적 특성 | – 불활성 가스가 포함된 밀봉된 챔버 필요 – EBM에 비해 레이저 전력 소비가 더 높음 | – 의료 및 치과용 임플란트 – 자동차 부품(경량 부품) – 항공우주 부품(구조 부품) |
| 직접 에너지 증착(DED) | 집중된 에너지원(레이저 또는 전자 빔)은 티타늄 와이어 또는 분말을 녹여 기판에 층별로 증착합니다. | 티타늄 와이어 또는 분말 | 최대 1000x1000x1000 | – 대규모 부품 프린팅을 위한 대형 빌드 봉투 – 파우더 베드 융합에 비해 프린팅 속도가 더 빠름 – 수리 및 클래딩 응용 분야에 사용 가능 | – LBM/EBM에 비해 해상도와 표면 마감이 낮음 – 뒤틀림 및 왜곡 위험이 높음 – 복잡한 형상에 대한 지원 제한 | – 대규모 구조 부품(교량, 압력 용기) – 기존 부품 수리 – 기능적 프로토타입 |
| 바인더 제팅(BJ) | 액체 바인더 제트헤드는 티타늄 분말 베드에 바인더를 선택적으로 도포하여 고체 녹색 부품을 생성합니다. 그런 다음 부품을 탈지하고 소결합니다. | 티타늄 분말 및 액체 바인더 | 최대 700x500x500 | – 다른 방법에 비해 부품당 비용 절감 – 내부 채널이 있는 복잡한 형상 프린팅에 적합 – 다양한 재료(티타늄에 국한되지 않음) | – 탈지 후 상대적으로 취약한 부품으로 소결 필요 – 융합 방식에 비해 기계적 특성이 낮음 – 후처리 단계에 시간이 많이 소요될 수 있음 | – 비핵심 자동차 부품(내장 부품) – 의료용 프로토타입 – 저응력 기능성 부품 |
티타늄 분말 및 인쇄 부품에 대한 표준
| 측면 | 표준기구 | 주요 고려 사항 | 일반적인 표준 |
|---|---|---|---|
| 분말 공급원료 | ASTM 국제(ASTM), ISO | – 화학적 조성 – 입자 크기 및 분포 – 유동성 – 분말 형태 | – ASTM B348: 티타늄 및 티타늄 합금 스트립, 시트 및 플레이트에 대한 표준 사양 – ASTM F3056: AM(적층 가공) 티타늄 분말에 대한 표준 사양 – ISO 5832-2: 항공우주 시리즈 – 금속 재료 – 티타늄 합금 바, 스트립 및 플레이트 시트 – 2부: 기술 사양 – UNS R56400(Ti-6Al-4V) |
| 기계적 특성 | ASTM 국제(ASTM) | – 인장강도 – 항복강도 – 신율 – 피로강도 – 경도 | – ASTM F136: 구조용 시트 및 플레이트에 대한 표준 사양 – ASTM F3001: 레이저 빔 용융을 위한 적층 가공(AM) 분말에 대한 표준 사양 – ASTM F3302: 레이저 빔 용융에 의한 티타늄 및 티타늄 합금 분말의 치밀화에 대한 표준 사양(LBM) ) |
| 미세구조와 다공성 | ASTM 국제(ASTM) | – 입자 크기 – 다공성 수준 및 분포 – 표면 거칠기 | – ASTM E112: 금속 재료의 평균 결정립 크기를 결정하기 위한 표준 테스트 방법 – ASTM B924: 티타늄의 산화물 변색 검사 및 분류를 위한 표준 테스트 방법 – ASTM F2904: 적층 가공된 금속 합금의 미세 구조 특성화에 대한 표준 실습 |
| AM(적층 가공)을 위한 부품 설계 | ASTM International(ASTM), Wohlers 보고서 | – 최소 벽 두께 – 지지 구조 설계 – 내부 특징 및 격자 구조 – 표면 거칠기 고려사항 | – ASTM F4269: 금속의 분말층 융합을 이용한 적층 제조에 대한 표준 관행 – Wohlers 보고서 [산업의 적층 제조 현황에 대한 Wohlers 보고서] – 기계 제조업체의 설계 지침 |
| 비파괴 검사(NDT) | ASTM 국제(ASTM) | – X선 방사선 촬영 – 컴퓨터 단층 촬영(CT) – 초음파 검사 – 와전류 검사 | – ASTM E1742: 다공성 및 함유물에 대한 금속 재료의 방사선 사진 검사에 대한 표준 실습 – ASTM F2789: AM(적층 가공) 공정의 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미징에 대한 표준 테스트 방법 – ASTM E114: 금속 재료의 초음파 검사에 대한 표준 실습 – ASTM E2194: 금속 제품의 전자기(와전류) 테스트에 대한 표준 가이드 |
| 포스트 프로세싱 | ASTM 국제(ASTM) | – 열처리 – 열간 등방압 프레싱(HIP) – 가공 및 마무리 | – ASTM F67: 티타늄 나사 및 핀의 전단 강도 결정을 위한 표준 테스트 방법 – ASTM B967: 티타늄 및 티타늄 합금의 화학적 스케일 제거, 전기 세척 및 부동태화에 대한 표준 사양 – 기계 제조업체의 가공 및 마무리 지침 |
자주 묻는 질문
3D 프린팅에 가장 적합한 티타늄 합금은 무엇인가요?
Ti 6Al-4V는 우수한 기계적 특성과 내식성, 상업적 가용성으로 인해 현재 적층 제조에 가장 많이 사용되는 티타늄 합금 분말입니다. Ti 6Al-4V ELI는 향상된 파단 인성을 제공합니다.
티타늄 부품을 3D 프린팅할 수 있는 방법은 무엇인가요?
선택적 레이저 용융(SLM)과 전자빔 용융(EBM)은 티타늄 프린팅에 사용되는 주요 분말 베드 용융 기술입니다. 지향성 에너지 증착(DED) 방법도 가능하지만 다공성이 더 높습니다.
티타늄을 3D 프린팅할 때 지지대가 필요한가요?
예, 티타늄은 빠르게 굳기 때문에 인쇄 시 서포트가 필요합니다. 표면 결함 및 재료 낭비를 방지하는 동시에 적절한 고정력을 제공하려면 세심하게 최적화된 서포트가 필요합니다.
티타늄을 3D 프린팅하거나 가공하는 것이 더 저렴하나요?
일회성 맞춤형 부품의 경우, 3D 프린팅 티타늄은 툴링이 필요하지 않기 때문에 더 저렴한 경우가 많습니다. 대량 생산의 경우, CNC 가공 티타늄은 부품당 비용은 낮을 수 있지만 초기 설정 비용과 재료 낭비가 더 높습니다.
어떤 산업에서 3D 프린팅 티타늄 부품을 사용하나요?
항공우주 산업은 복잡한 부품의 구매 대 비행 비율을 개선한 덕분에 오늘날 티타늄 프린팅을 가장 많이 채택하고 있습니다. 의료, 자동차, 석유 및 가스, 스포츠용품, 소비재 분야에서도 3D 프린팅 티타늄을 활용하고 있습니다.
3D 프린팅용 티타늄 파우더의 가격은 얼마인가요?
티타늄 분말은 구성, 품질, 주문량 및 기타 요인에 따라 1톤당 $100-2000달러입니다. 중요한 응용 분야를 위한 Ti 6Al-4V 및 Ti 6Al-4V ELI 구형 분말은 $500/kg 이상의 프리미엄 가격이 책정됩니다.
3D 프린팅된 티타늄 부품의 예로는 어떤 것이 있나요?
3D 프린팅을 통해 기체 브래킷, 터빈, 모터스포츠 부품, 맞춤형 보철물, 순응 냉각 사출 금형, 심지어 복잡한 격자 디자인을 활용한 안경이나 보석과 같은 혁신적인 티타늄 부품을 제작할 수 있습니다.
공유
중국 칭다오에 본사를 둔 선도적인 적층 제조 솔루션 제공업체인 MET3DP Technology Co. 당사는 산업용 3D 프린팅 장비와 고성능 금속 분말을 전문으로 합니다.
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Met3DP 소개
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제품
3D 프린팅 및 적층 제조용 금속 분말
문의 정보
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