티타늄 3D 프린팅 파우더

티타늄 3D 프린팅 파우더 은 강하고 가벼우며 부식에 강한 금속으로, 항공우주, 의료, 자동차 및 기타 산업 분야에서 복잡하고 내구성이 뛰어난 부품을 3D 프린팅하는 데 이상적입니다. 이 문서에서는 적층 제조를 위한 티타늄 분말 야금에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

개요 티타늄 3D 프린팅 파우더

티타늄은 분말 베드 용융 및 지향성 에너지 증착 3D 프린팅 기술에 가장 많이 사용되는 금속 중 하나입니다. 3D 프린팅 티타늄 부품의 몇 가지 주요 장점은 다음과 같습니다:

• 높은 중량 대비 강도 비율
• 극한의 온도와 부식을 견딤
• 의료용 임플란트용 생체 적합성
• 주조나 기계 가공으로는 불가능한 복잡한 형상
• 감산 방식에 비해 낭비 감소
• 기존 티타늄 제작에 비해 리드 타임 및 비용 단축

그러나 티타늄은 고온에서 반응하기 때문에 아르곤 또는 질소 가스를 사용하여 인쇄하는 동안 불활성 챔버 환경이 필요합니다. 3D 프린팅된 티타늄의 특성은 다양한 요인에 따라 달라집니다:

티타늄 3D 프린트 속성에 영향을 미치는 주요 요인

매개변수	설명	속성에 미치는 영향
티타늄 합금 등급	티타늄, 알루미늄, 바나듐 등의 순도 수준.	강도, 경도, 연성, 내식성
분말 크기 분포	미세 분말에서 거친 분말 입자 범위	밀도, 표면 마감, 정밀도
레이어 두께	레이어가 얇을수록 해상도는 향상되지만 인쇄 시간은 증가합니다.	정확도, 공차, 표면 거칠기
에너지원	레이저, 전자빔, 플라즈마 아크	국부적인 용융, 가열, 냉각 속도가 미세 구조에 영향을 미칩니다.
인쇄 방향	수직 구조와 수평 구조	이방성 강도, 지지대가 필요할 수 있음
열간 등방성 프레스	모공 제거를 위한 후처리	밀도, 피로 수명 대폭 개선

최적의 파라미터를 통해 3D 프린팅된 티타늄 부품은 가공된 밀 제품의 특성을 충족하거나 능가하는 동시에 감산 방식으로는 불가능한 혁신적인 설계를 가능하게 합니다.

종류 티타늄 3D 프린팅 파우더 AM용

티타늄 합금은 다양한 적층 제조 공정에 맞게 제조된 다양한 등급으로 제공됩니다. 가장 일반적인 티타늄 분말은 다음과 같습니다:

3D 프린팅용 일반적인 티타늄 분말 등급

합금	설명	애플리케이션
Ti-6Al-4V ELI	주력 제품인 Ti64 합금의 초저 간극 버전	항공우주 부품, 생체 역학 임플란트
Ti 6Al-4V	가장 인기 있는 등급, 우수한 강도 및 내식성	자동차, 해양 장비, 스포츠 용품
Ti-6Al-7Nb	Ti64보다 높은 생체 적합성	정형외과 및 치과용 임플란트, 수술 기구
CP-Ti 등급 2	합금보다 부드러운 상업용 순수 티타늄	식품/화학 공정 장비
Ti-555	고강도 항공우주 등급	항공기 구조 부품, 로켓 엔진
Ti-1023	탁월한 피로 및 크리프 저항	터빈 블레이드, 랜딩 기어, 패스너

입자 크기 분포는 최종 밀도와 표면 마감을 결정하는 핵심 특성입니다. 10~45미크론 정도의 미세한 분말은 흐름과 압축이 더 잘 이루어지며, 100미크론 이상의 거친 분말은 분말 제거가 용이하고 재료 비용을 절감합니다.

티타늄 분말 사양

매개변수	일반적인 범위
입자 크기	15-45미크론, 최대 150μm
유량	<15초/50g
겉보기 밀도	2.1-3.0g/cm3
탭 밀도	3.2-4.1g/cm3
순도	>99.5% 티타늄
산소 함량	<0.20%
질소 함량	<0.03%
수소 함량	<0.015%

제조업체는 산업 전반에 걸쳐 증가하는 고성능 적층 제조 티타늄 부품에 대한 수요를 충족하기 위해 티타늄 분말 생산 방법과 합금 구성을 지속적으로 개선하고 있습니다.

티타늄 분말의 제조 방법

티타늄 금속 분말은 잉곳이나 공급 원료 와이어와 같은 고체 형태에 비해 표면적 대 부피 비율이 높습니다. 최신 분말 제조 기술에는 여러 가지가 있습니다:

• 플라즈마 원자화 - 고속 불활성 가스 제트는 용융된 티타늄 스트림을 미세한 물방울로 분해하여 표면 형태가 매끄러운 구형 분말로 빠르게 응고시킵니다. 이를 통해 입자 크기가 일정하고 위성 수가 적습니다.
• 가스 분무 - 플라즈마 분무와 마찬가지로 가스 압력이 낮으면 EBM 프린팅에 적합한 미세 분말이 덜 생성됩니다. 파우더는 불규칙한 모양과 새틀라이트가 있는 약간의 스패터를 보입니다.
• 회전 전극 공정 - 티타늄 합금 막대 또는 와이어를 불활성 대기에서 아크에 의해 녹이고 원심력에 의해 금속이 배출되어 납작한 구형 입자로 응고됩니다. 스펀지 같은 분말을 경제적으로 생산할 수 있습니다.
• 수화물-탈수화물 프로세스 - 잘게 쪼개진 티타늄 하이드라이드 분말은 진공 상태에서 분해되어 약 0.35~0.5%의 높은 산소 불순물을 가진 미세한 금속 티타늄 분말로 분해됩니다.

모든 방법은 3D 프린팅 기술에 적합한 특정 크기 분획(일반적으로 약 10~150미크론)을 얻기 위해 광범위한 분말 체질 및 분리가 필요합니다. 매끄러운 구형 입자는 더 나은 포장 밀도와 유동성을 제공합니다. 사용하기 전에 적절한 분말 재조정, 혼합 및 불활성 분위기에서의 보관이 중요합니다.

티타늄 분말 제조업체

티타늄 인쇄 분말의 주요 글로벌 공급업체는 다음과 같습니다:

회사	위치	제품
AP&C	캐나다	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, 맞춤형 합금
목수 첨가제	미국	Ti-6Al-4V, Ti 6-4 ELI, 맞춤형 등급
GKN 첨가제	스웨덴	Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti-64 등급
LPW 기술	UK	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, 혼합 합금
프렉스에어	미국	CP Ti 등급 2, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI
TLS 테크닉	독일	Ti-6Al-4V, Ti-Al-Fe 합금

이 회사들은 모든 주요 금속 3D 프린팅 기계에 맞춤화된 결함 없는 티타늄 파우더를 공급하기 위해 생산 공정과 품질 표준을 지속적으로 개선하고 있습니다.

티타늄 파우더 비용

경량 구조용 소재인 티타늄 금속 분말은 무게 기준으로 알루미늄보다 약 4~5배, 일반 강철보다 2~3배 더 비쌉니다. 가격은 합금 등급, 품질, 로트 크기에 따라 몇 킬로그램에서 1톤까지 다양합니다.

합금	Kg당 가격 범위
CP Ti Gr 2	$50 – $150
Ti-6Al-4V	$80 – $450
Ti-6Al-4V ELI	$100 – $650
Ti 6Al-7Nb	$250 – $1000
Ti-555	$150 – $850
Ti-1023	$500 – $2000

3D 프린팅에서 남은 티타늄 분말은 오염 여부를 테스트하고 특성을 확인한 후 재사용하여 재료 비용을 상쇄할 수 있습니다. 전체 부품 비용은 원자재 비용 외에 제작 속도, 인건비, 설계 복잡성, 후가공에 따라 달라집니다.

3D 프린팅 티타늄 부품의 응용 분야

내구성, 생체 적합성, 디자인 자유도를 갖춘 금속 3D 프린팅은 다양한 산업 분야에서 티타늄의 사용을 확대하고 있습니다:

항공우주 - 항공기 및 로켓 엔진 부품, 기체, 헬리콥터, 드론. 조립 구조물 대비 부품 수를 최대 90%까지 줄입니다.

의료 및 치과 - 고강도 및 생체 적합성이 중요한 정형외과용 임플란트, 보철물, 고정 장치 및 기구. 환자 해부학적 구조에 맞는 맞춤형 설계가 가능합니다.

자동차 및 모터스포츠 - 커넥팅 로드, 기어 시프터, 프로펠러 샤프트와 같은 부품을 경량화하면서 안전 요건을 충족합니다. 토폴로지 최적화를 통해 성능을 향상시킬 수 있습니다.

산업 장비 - 부식/침식에 강한 견고한 티타늄 임펠러, 밸브, 파이프, 열교환기. 컨포멀 냉각 채널은 사출 성형 시 공구 마모를 최소화합니다.

소비재 - 인체공학적 티타늄 격자 구조가 통합된 자전거 프레임, 골프 클럽 헤드, 카약 패들 등 맞춤형 스포츠 장비를 제작할 수 있습니다.

3D 프린팅은 주조로는 불가능한 티타늄의 새로운 형상을 구현하는 동시에 리드 타임을 단축하고 수명 주기 비용을 절감하여 특수 애플리케이션에 일반적으로 사용되는 소량 생산을 지원합니다.

티타늄용 금속 3D 프린팅 공정

티타늄 분말 베드 융합에 적합한 적층 제조 기술에는 여러 가지가 있습니다:

파우더 베드 융합 공정

프로세스	설명	하드웨어 예제
DMLS	직접 금속 레이저 소결은 파이버 레이저를 사용하여 분말을 융합합니다.	EOS M 시리즈
SLM	선택적 레이저 용융으로 분말을 밀도가 높은 부품으로 완전히 녹입니다.	SLM 솔루션
EBM	전자빔이 진공 상태에서 분말을 선택적으로 녹입니다.	Arcam A2X

이러한 파우더 베드 공정은 티타늄 파우더를 얇게 펴서 집중된 열원을 사용하여 선택적으로 녹인 다음 빌드 플레이트를 낮추고 이 과정을 반복하여 아래에서 위로 부품을 제작하는 방식으로 이루어집니다. 불활성 가스 챔버는 고온에서 산화를 방지합니다. 용융물이 빠르게 응고되어 미세한 등축 티타늄 입자가 형성되고, 단조 제품과 유사한 동위원소 특성을 갖게 됩니다.

SLM과 DMLS는 더 높은 해상도와 표면 마감을 제공하는 반면, EBM은 더 저렴한 저밀도 프로토타입을 위한 더 빠른 제작 속도를 특징으로 합니다. 하이브리드 멀티레이저 시스템은 부품 비용과 제작 시간을 줄여줍니다.

직접 에너지 증착

레이저 그물 성형(LENS)과 같은 DED 공정은 금속 분말을 집속 레이저 또는 아크에 의해 생성된 용융 풀에 불어넣어 기판 플레이트에 비드를 나란히 증착합니다. DED는 최종 가공을 거치는 그물 모양에 가까운 대형 부품에 이상적입니다. 최적화된 LENS 파라미터를 통해 강도, 연성, 파괴 인성 및 크리프 저항성이 더 높은 티타늄 합금을 제작할 수 있습니다.

바인더 분사

잉크젯 프린트 헤드 기술을 사용하는 바인더 분사 방식은 티타늄 파우더 베드에 액체 바인딩제를 선택적으로 증착하여 녹색의 소형 부품을 층층이 형성합니다. 고온에서 소결하면 인쇄 중 잔류 응력을 방지하면서 최대 95% 밀도를 달성할 수 있습니다. 바인더 제팅은 구조적 하중이 적당하고 가공 재료보다 낮은 특성을 가진 소형 티타늄 부품에 더 적합합니다.

후처리 티타늄 3D 프린팅 파우더 부속

빌드 프로세스 후 티타늄 컴포넌트는 몇 가지 후처리 단계를 거칠 수 있습니다:

• EDM 와이어 절단을 통한 지지 구조물 제거
• 스트레스 완화 열처리
• 열간 등방성 프레스(HIP)
• 솔루션 치료 및 노화
• 압축 응력 유도를 위한 샷 피닝
• 가공 - 중요한 결합 표면의 공차 요구 사항을 충족하기 위한 선삭, 드릴링, 밀링 가공
• 표면 마감 - 연삭, 샌드 블라스팅, 연마, 에칭으로 매끄러운 표면 만들기
• 의료용 부품 세척 및 멸균

HIP 처리는 고온의 진공 상태에서 고압 아르곤 가스를 적용합니다. 이를 통해 내부 공극과 미세 다공성을 제거하여 미션 크리티컬 항공우주 부품의 피로 수명을 5~10배 향상시킬 수 있습니다. 그러나 HIP는 인쇄된 미세 구조를 변경합니다.

품질이 중요한 응용 분야의 경우 광범위한 수동 후처리 단계로 인해 전체 부품 비용이 증가합니다. 최종 사용 티타늄 부품의 일관성과 반복성을 높이기 위해 AM 가치 사슬 전반에 걸친 품질 표준화 노력과 함께 금속 프린터 옆에 통합된 자동 후처리 스테이션이 등장하고 있습니다.

3D 프린팅 티타늄 합금의 특성

일반적으로 사용되는 티타늄 합금의 기계적 특성은 분말 품질, 층 두께, 레이저 매개변수, 제작 방향, 열처리 및 HIP와 같은 다양한 요인에 따라 달라집니다.

Ti-6Al-4V ELI 속성

매개변수	인쇄된 대로	HIP 이후	단조 Ti-6Al-4V ELI
인장 강도	1050 - 1250 MPa	~980 MPa	860 - 965 MPa
항복 강도(0.2% 오프셋)	1000 - 1150 MPa	~930 MPa	795 - 880 MPa
휴식 시 신장	8 – 15%	10 – 18%	10 – 16%
탄성 계수	100 - 114 GPa	110 - 115 GPa	110 - 114 GPa
피로 강도(10^7 사이클)	400 - 600 MPa	500 - 800 MPa	550 - 750 MPa
경도	34 - 44 HRC	32 - 40 HRC	33 - 37 HRC

Ti-6Al-4V ELI는 기존 단조 제품보다 인장 강도와 경도가 비슷하거나 더 우수하며, 연성 및 고주기 피로도는 HIP 이후 단조 소재 특성에 근접합니다.

Ti-6Al-7Nb 속성

매개변수	일반적인 인쇄된 값	Wrought
인장 강도	900 - 1300 MPa	860 - 1100 MPa
항복 강도(0.2% 오프셋)	800 - 1250 MPa	795 - 965 MPa
휴식 시 신장	5 – 15 %	8 – 20%
탄성 계수	95 - 115 GPa	100 - 115 GPa
경도	~334 HV	~302 HV

니오븀을 첨가하여 바나듐에 비해 생체 적합성을 높이는 동시에 기존 Ti-6Al-4V 임플란트보다 더 높은 강도를 제공합니다. 최적화된 SLM 파라미터는 단조 특성에 필적하는 고밀도 의료용 Ti-6Al-7Nb 구조를 생성합니다.

디자인 가이드라인 및 제한 사항

파우더 베드 융합의 이점을 최대한 활용하려면 엔지니어는 적층 제조를 위해 특별히 부품을 설계해야 합니다:

최적의 설계 사례

• 격자 구조를 사용하여 불필요한 질량을 최소화하여 경량화 실현
• 하위 어셈블리를 단일 구성 요소로 통합하기
• 기계 가공이 불가능한 유기적 모양, 윤곽을 통합합니다.
• 주물로는 불가능한 수렴형 냉각 채널 내장
• 자이로 인필 또는 텍스처로 스트레스가 높은 영역 강화하기
• 모듈형 어셈블리를 위한 인터페이스, 피팅, 픽스처 표준화
• 중요한 기능을 공통으로 유지하면서 부품 제품군을 매개변수화하세요.

디자인 제한

• 60도 이상의 오버행 각도에는 지지대가 필요합니다.
• 5:1 이상의 극단적인 종횡비는 붕괴 또는 변형의 위험이 있습니다.
• 최소 벽 두께 ~0.8mm, 미세 피처 > 0.4mm
• 꽉 조이면 배출 구멍이 필요한 소결되지 않은 분말이 갇힐 수 있습니다.
• 파우더 제거 접근이 차단된 빈 공간을 피하세요.
• 잔여 스트레스를 해소하는 데 필요한 넉넉한 필렛
• 피팅, 씰, 베어링 결합에 필수적인 가공 후 작업

AM 경험이 풍부한 설계자와 함께 엔지니어를 위한 사전 DfAM 교육을 실시하면 최종 사용 금속 프린트 부품에 필요한 생산 준비된 설계가 부족하여 재작업이 발생하는 것을 방지할 수 있습니다.

비교 분석

3D 프린팅 대 주조 또는 가공 티타늄

적층 가공 전문가

• 경량 구조를 위한 자유로운 설계
• 통합을 통한 부품 수 감소
• 현장 요구사항에 맞는 맞춤형 모양
• 주조 금형 또는 CNC에 필요한 도구 제거
• 낭비를 줄인 안전하고 지속 가능한 프로세스
• 소량 배치의 리드 타임 단축

단점

• 대량 생산보다 느린 빌드 속도
• 더 작은 빌드 챔버로 인한 크기 제한
• 중간 수량에서 부품당 비용 절감
• 표면 결함을 유발하는 광범위한 지원 정리
• 후처리를 통해 인쇄된 소재 속성을 낮춥니다.
• 이방성은 방향성 약화로 이어집니다.
• 표준 및 자격은 아직 성숙 중입니다.

3D 프린팅 티타늄과 다른 금속

매개변수	티타늄	알루미늄	스테인리스 스틸	니켈 합금
힘	높음	Medium	Medium	매우 높음
강성	Medium	Medium	높음	높음
밀도	경량	매우 가벼움	더 무겁다	더 무겁다
비용	높음	낮음	Medium	높음
온도에서의 수명	우수	공정	더 나은	최고
내식성	우수	박람회/코팅	최고	더 나은
생체 적합성	우수	양호	공정	Poor
자기 속성	아니요	아니요	약간 자성	자기

티타늄은 고온의 기계적 성능과 설계 유연성, 낮은 질량, 극한에 대한 복원력이 결합된 분야에서 두각을 나타내고 있습니다. 적층 가공의 확장된 기능은 뛰어난 특성에도 불구하고 초기 적용을 제한했던 높은 바이투플라이 비율과 긴 리드 타임이라는 기존의 제조 문제를 극복하는 데 도움이 됩니다.

티타늄 AM의 산업 전망과 미래

적층 제조는 가장 빠르게 성장하는 제조 분야 중 하나로, 여러 개의 레이저와 로봇 팔을 사용하는 프린터가 점점 더 커지고 있습니다. 티타늄 부품은 항공, 우주, 에너지, 모터스포츠, 의료 분야에서 대량 생산을 위한 인증을 받고 있습니다.

티타늄 분말 베드 퓨전 채택에 영향을 미치는 몇 가지 트렌드:

• 시스템 비용 감소로 경제성 향상
• 자동화된 후처리로 반복성 향상
• 대형 티타늄 구조물을 위한 대면적 적층 제조(BAAM) 기술
• 크리프 및 피로 강도가 우수한 새로운 특수 합금
• 결함 예측, 공정 최적화, 품질 보증을 위한 시뮬레이션 및 AI
• 적층, 감산, 검사, 자동화를 결합한 하이브리드 인쇄
• 자재 추적성 및 프로세스 표준을 보장하는 공급망 성숙도

티타늄 적층 제조 부품이 비행 안전 및 의료 인증을 획득함에 따라 3D 프린팅은 분산 제조 모델을 통해 항공 우주와 같이 재고가 많은 산업을 혁신할 준비가 되어 있습니다. 기업들은 가치 사슬 전반에 걸쳐 협업하여 혁신적인 디자인을 미션 크리티컬 애플리케이션에 이전보다 더 빠르고 저렴한 비용으로 도입하고 있습니다.

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