적층 제조 금속 분말: 개요

적층 제조3D 프린팅은 금속 분말을 원료로 사용하여 금속 부품과 제품을 층층이 쌓아 올리는 방식입니다. 금속 분말의 특성과 특성은 3D 프린팅된 금속 부품의 품질, 기계적 특성, 정밀도 및 성능에 큰 영향을 미칩니다. 이 문서에서는 적층 제조용 금속 분말에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

적층 제조용 금속 분말의 종류

3D 프린팅 기술에 사용할 수 있는 분말 형태의 금속과 합금에는 다양한 종류가 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 금속 분말은 다음과 같습니다:

적층 제조용 금속 분말의 종류

금속 분말의 입자 모양, 크기 분포, 유동 특성 및 미세 구조는 생산 방법에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 이는 3D 프린팅 시 패킹 밀도, 확산성 및 소결 거동에 영향을 미칩니다.

금속 분말 생산 방법

적층 제조용 금속 분말을 제조하는 데 사용되는 몇 가지 생산 기술이 있습니다:

금속분말 생산방법

가스 분무와 물 분무는 파우더 베드 융합 3D 프린팅 공정에 사용되는 미세 분말을 생산하는 가장 일반적인 방법입니다. 분말 생산 기술은 금속 분말의 조성, 입자 모양, 다공성, 유동 특성, 미세 구조 및 비용에 영향을 미칩니다.

금속 분말 속성 및 특성

적층 제조에 사용되는 금속 분말의 특성은 최종 부품의 품질, 기계적 특성, 정밀도, 표면 마감 및 성능을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 몇 가지 주요 특성은 다음과 같습니다:

적층 제조를 위한 금속 분말 특성

적층 제조 부품의 고밀도, 우수한 기계적 특성 및 품질을 달성하려면 이러한 분말 특성에 대한 엄격한 요구 사항을 충족하는 것이 중요합니다.

금속 분말 사양

적층 제조에 사용되는 금속 분말은 조성, 입자 크기 분포, 유량, 겉보기 밀도 및 미세 구조 측면에서 특정 사양을 충족해야 합니다. 몇 가지 일반적인 금속 분말 사양은 다음과 같습니다:

적층 제조용 금속 분말의 일반적인 사양

크기 분포는 매우 중요하며, 일반적인 D10, D50 및 D90 입자 크기는 5~100미크론 사이입니다. 분포가 촘촘할수록 파우더 베드 밀도와 해상도가 향상됩니다. ASTM F3049, F3301, ISO/ASTM 52921과 같은 표준은 적층 제조에 사용되는 금속 분말 공급 원료에 대한 엄격한 규칙을 명시하고 있습니다.

적층 제조에서 금속 분말의 응용 분야

금속 분말은 다양한 적층 제조 기술에서 다양한 산업 분야의 기능성 금속 부품을 인쇄하는 데 사용됩니다:

적층 제조에서 금속 분말의 응용

금속 분말을 사용한 적층 제조는 기존 제조 방식으로는 불가능했던 향상된 기계적 특성과 모양을 갖춘 복잡한 맞춤형 부품을 생산하는 데 이상적입니다. 사용 가능한 금속 합금의 범위가 확대됨에 따라 산업 전반에 걸쳐 응용 분야가 계속 증가하고 있습니다.

비용 분석 금속 분말

금속 분말의 종류와 필요한 품질은 적층 제조의 재료 비용에 큰 영향을 미칩니다. 대표적인 금속 분말 비용은 다음과 같습니다:

적층 제조용 금속 분말의 가격 범위

가격은 합금 구성, 입자 특성, 파우더 품질 및 구매량에 따라 달라집니다. 사용하지 않은 파우더를 재활용하여 재료 낭비를 줄이면 고가의 합금을 사용한 인쇄의 비용 효율성을 개선할 수 있습니다.

금속 분말에 대한 자세한 가격 분석

금속 분말과 관련된 비용은 적층 제조에서 전체 비용의 상당 부분을 차지할 수 있습니다. 이 섹션에서는 다양한 금속 합금의 현재 가격 범위에 대해 자세히 설명합니다:

티타늄 합금 분말 가격

항공우주 분야에 가장 일반적으로 사용되는 Ti-6Al-4V 합금은 $250-500/kg입니다. 고급 티타늄 합금은 $800/kg 이상의 비용이 들 수 있습니다.

알루미늄 합금 분말 가격

알루미늄 합금은 일반적으로 $80-150/kg이며, 특수한 구성과 나노 강화 분말은 $250-500/kg의 프리미엄 가격이 책정됩니다.

니켈 합금 분말 가격

니켈 초합금은 합금 조성, 입자 특성 및 대량 주문량에 따라 $120-800/kg 범위입니다.

보석 및 의료 기기에 사용되는 귀금속은 금, 은 및 백금 합금의 경우 $1500-3000/kg의 매우 높은 가격을 형성합니다.

가장 일반적인 합금의 현재 가격 수준을 이해하면 특정 용도에 맞는 비용 효율적인 소재를 정보에 입각해 선택할 수 있습니다.

스테인리스 스틸 파우더 가격

스테인리스강 분말은 등급에 따라 $30-200/kg 범위입니다. 사양이 더 까다로운 특수 합금과 구성은 더 높은 가격을 요구합니다.

공구강 분말 가격

공구강 분말 가격은 경도, 합금 조성 및 입자 특성에 따라 $80-250/kg입니다.

구리 합금 분말 가격

열 및 전기적 특성을 위해 사용되는 구리 및 구리 합금 분말은 $50-150/kg입니다.

코발트-크롬 합금 분말 가격

의료용 코발트-크롬 합금은 조성 및 입자 특성에 따라 $170-300/kg의 범위가 있습니다.

전반적으로 금속 분말 가격은 합금, 생산 방법, 품질, 주문량에 따라 큰 폭으로 변동합니다. 하지만 현재 시장 가격을 이해하면 적층 제조를 위한 제품 설계 및 재료 선택 시 유용한 지침을 얻을 수 있습니다.

적층 제조에는 금속 분말 공급 원료를 활용하는 두 가지 주요 접근 방식, 즉 분말 베드 융합 공정과 지향성 에너지 증착 공정이 있습니다. 이 섹션에서는 파우더 베드와 블로운 파우더 접근 방식 간의 서로 다른 파우더 요구 사항과 특성을 비교합니다.

파우더 베드 융합 공정

선택적 레이저 소결(SLS) 및 전자빔 용융(EBM)과 같은 파우더 베드 용융 공정에서는 금속 분말을 빌드 플레이트에 얇은 층으로 펴서 열원에 의해 층별로 선택적으로 용융하여 부품을 제작합니다. 파우더 특성의 주요 차이점은 다음과 같습니다:

파우더 베드 융합을 위한 파우더 요구 사항

크기 분포가 제어되고 유동성이 좋은 구형 가스 원자화 분말은 분말 베드 융합 AM 공정에 이상적입니다.

블로우 파우더 직접 에너지 증착

레이저 엔지니어링 네트 성형(LENS) 및 전자빔 적층 제조(EBAM)와 같은 DED 기술에서는 금속 분말을 레이저 또는 전자빔 열원으로 생성된 용융 풀에 직접 주입합니다. 파우더 베드와의 주요 파우더 차이점:

블로우 파우더 DED의 파우더 요구 사항

블로우 파우더 DED를 사용하면 파우더 베드 융합 공정에 비해 파우더 공급 원료 요구 사항이 더 유연합니다. DED의 주요 장점은 저비용 분말 생산 방법을 사용할 수 있다는 점입니다.

품질 및 비용에 대한 파우더 고려 사항

요약하면, 파우더 베드 용융은 결함을 방지하고 고밀도 부품을 얻기 위해 파우더 특성에 더 엄격한 요구 사항을 적용합니다. 이를 위해서는 일반적으로 더 비싼 가스 분무 분말을 사용해야 합니다. 블로운 파우더 DED는 더 저렴한 파우더를 사용할 수 있는 유연성을 제공하지만 기계적 특성과 정확도에 영향을 줄 수 있습니다. 부품 크기, 표면 마감 요구 사항, 기계적 성능 및 예산은 적절한 적층 제조 공정과 분말 공급 원료를 선택하는 데 있어 핵심 요소입니다.

금속 매트릭스 복합 재료의 적층 제조

세라믹 보강재가 포함된 금속 매트릭스 복합재(MMC)는 분말 기반 적층 제조에서 새롭게 떠오르는 분야입니다. 이 섹션에서는 파우더 베드 용융 및 용사 분말 직접 에너지 증착을 사용한 MMC 프린팅에 대한 개요를 제공합니다.

파우더 베드 융합을 이용한 MMC 적층 제조

탄화물, 붕화물 및 산화물과 같은 보강재를 금속 합금 분말과 혼합하여 향상된 특성을 가진 입자 강화 금속 매트릭스 복합 재료를 프린트할 수 있습니다:

분말 베드 퓨전 AM용 MMC 분말

그러나 융점 차이, 낮은 습윤성, 보강재의 응집과 같은 요인으로 인해 고품질 MMC 부품을 프린트하는 데 결함이 발생하고 문제가 발생할 수 있습니다. 파우더 베드 융합 AM을 사용하여 고밀도 등방성 MMC를 성공적으로 프린트하려면 나노 크기의 보강재와 맞춤형 파우더 혼합 및 확산 파라미터가 필요합니다.

블로우 파우더 DED를 사용한 MMC 적층 제조

DED 블로우 파우더 방식은 MMC 인쇄에 이점을 제공합니다:

• 보강재를 용융 풀에 직접 주입하여 응집 문제를 방지할 수 있습니다.
• 빠른 용융 및 응고로 세라믹 분포 개선
• 더 큰 입자 크기와 더 높은 보강 비율을 사용할 수 있습니다.

그러나 제작 높이 전체에 걸쳐 보강재 함량을 제어하고 균일한 분포를 달성하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 파우더 베드 퓨전과 DED를 결합한 하이브리드 AM 시스템을 사용하면 파우더 베드 퓨전을 사용하여 구리와 같은 고밀도 금속을 연속 매트릭스로 프린팅하는 동시에 세라믹 보강재를 주입하여 국부적으로 보강하거나 경화할 수 있습니다.

전반적으로 적층 제조는 기존 복합 재료 제조로는 불가능했던 국부적으로 맞춤화된 구성과 특성을 가진 복잡한 그물 모양의 MMC 부품을 제작할 수 있습니다. 그러나 특정 금속-세라믹 시스템에 맞는 공급 원료 분말과 프린트 파라미터의 개발은 적층 제조를 이용한 입자 강화 MMC 프린팅의 잠재력을 최대한 실현하는 데 필수적입니다.

적층 제조용 금속 분말에 대한 FAQ

다음은 적층 제조 공정에 사용되는 금속 분말에 대한 몇 가지 일반적인 질문에 대한 답변입니다:

AM용 금속 분말에 대한 FAQ

Q: 3D 프린팅에 가장 일반적으로 사용되는 금속 파우더는 무엇인가요?

A: 알루미늄 합금, 특히 AlSi10Mg은 티타늄 및 니켈 합금에 비해 경량, 내식성 및 비용 이점으로 인해 항공우주, 자동차 및 산업용 애플리케이션에서 분말 기반 적층 제조에 가장 많이 사용되는 금속 중 하나입니다.

Q: 가장 비싼 금속 분말은 무엇인가요?

A: 금, 은, 백금과 같은 귀금속은 재료비가 킬로그램당 $1500-3000으로 가장 높습니다. 티타늄 합금도 $200/kg 이상으로 비교적 비쌉니다. 니켈 초합금은 구성에 따라 $100-300/kg입니다.

Q: 버진 파우더와 재활용 금속 파우더의 차이점은 무엇인가요?

A: 버진 파우더는 이전에 인쇄에 사용된 적이 없는 새로 생산된 파우더입니다. 재생 파우더는 인쇄 후 회수하여 재사용하는 파우더입니다. 재활용 파우더는 20~30% 저렴할 수 있지만 여러 번 재사용하면 오염 및 특성 변화의 위험이 있습니다.

Q: 금속 분말 크기 분포를 결정할 때 중요한 것은 무엇인가요?

A: 파우더 베드 용융 3D 프린팅에서 균일한 층 두께, 높은 패킹 밀도, 우수한 흐름 및 해상도를 구현하려면 입자 크기 분포가 촘촘해야 합니다. 일반적인 분포는 D10: 20~40미크론, D50: 20~45미크론, D90 미만 100미크론을 목표로 합니다.

Q: 금속 분말의 수분이 AM 공정에 어떤 영향을 미치나요?

A: 파우더 입자에 수분이 흡수되면 파우더가 뭉쳐서 흐름에 장애를 일으킬 수 있습니다. 또한 과도한 수분은 인쇄된 부품에 다공성을 유발합니다. 대부분의 공정에서는 건조 시 수분 함량을 0.2wt% 미만으로 유지해야 합니다.

Q: AM에서 파우더 재활용성의 역할은 무엇인가요?

A: 인쇄 후 사용하지 않은 파우더를 재활용하면 특히 고가의 합금의 경우 재료 낭비와 비용을 줄일 수 있습니다. 그러나 재사용 후 오염이 발생할 수 있습니다. 불활성 대기 또는 진공을 이용한 공정은 산화를 최소화하고 재활용성을 향상시킵니다.

Q: 바이모달 분포를 가진 금속 분말은 AM에서 어떻게 사용되나요?

A: 굵은 분말과 미세 분말이 두 가지로 분리된 바이모달 분말은 포장 밀도와 인쇄 해상도를 향상시킬 수 있습니다. 더 미세한 파우더는 더 큰 입자 사이에 포장됩니다. 그러나 이러한 분말은 적절한 혼합과 취급을 보장하기 위해 전문 지식이 필요합니다.

Q: AM은 다른 공정보다 더 저렴한 저급 파우더를 사용할 수 있나요?

A: 블로우 파우더 DED AM은 파우더 베드 용융에 대한 엄격한 사양을 충족하지 않을 수 있는 다른 생산 방법의 저비용 파우더를 활용할 수 있습니다. 그러나 이는 가스 분무 분말에 비해 기계적 특성과 정확도가 저하될 수 있습니다.

결론

요약하자면, 금속 분말은 파우더 베드 융합 및 지향성 에너지 증착 적층 제조 기술을 사용하여 3D 프린팅 금속 부품을 제조하는 데 기본 원료로 사용됩니다. 금속 분말 공급 원료의 특성과 품질은 항공우주, 의료, 자동차 및 산업 응용 분야에서 최종 부품의 특성, 정밀도, 표면 마감 및 성능에 큰 영향을 미칩니다. 가스 분무와 물 분무가 주요 생산 방식입니다. 입자 크기 분포, 형태, 겉보기 밀도, 유동 특성, 미세 청결도와 같은 주요 분말 특성은 적층 제조 공정 및 최종 부품 요건에 대한 엄격한 사양을 충족해야 합니다. 맞춤형 금속 분말 엔지니어링, 모델링 및 특성화의 지속적인 발전은 금속을 이용한 적층 제조의 잠재력을 최대한 발휘하는 데 매우 중요합니다.