티타늄(Titanium), 금속 3D프린팅의 왕
티타늄(Tiatanium)은 항공우주 부품, 자동차 프레임, 전자제품, 의료용 임플란트 등 전 산업분야에서 폭넓게 사랑받는 금속입니다.
티타늄(Titanium)은 3D프린팅에서 가장 많이 사용되는 금속입니다. 항공우주 부품, 자동차 프레임, 전자제품, 의료용 임플란트를 포함한 기타 고성능 제품에 널리 활용되고 있죠. 티타늄(Titanium) 이렇게 사랑받는 이유는 바로 소재가 갖고 있는 고유의 특성 덕분입니다. 티타늄(Titanium) 합금은 스테인리스강보다 중량 대비 높은 강도와 우수한 내식성을 보유하고 있습니다. 더욱이 이러한 특성 때문에 몸체를 더욱 가볍게 만들어 탑재 하중은 늘리고, 연료를 절약하고자 하는 항공우주 분야나 높은 생체적합성을 요구하는 의료 분야에서는 티타늄(Titanium) 합금에 관심을 가질 수 밖에 없습니다.
주조와 같은 기존의 가공기술로 티타늄(Titanium) 합금을 가공한다는 것은 완제품에 이르는 원재료의 높은 비율(Buy-to-fly ratio)을 포함한 가공을 위한 추가적인 성형과 공구 비용의 발생 등과 관련하여 더 많은 생산비용이 나옴을 의미합니다. 또한, 이러한 제조기술은 제품의 설계를 제한하고, 다양한 용도로의 적용을 어렵게 한다는 점에서 한계로 지적되었습니다. 하지만, 금속 3D프린팅에서 활용되는 티타늄(Titanium) 합금 분말은 판재보다 고가이지만 3D프린팅을 이용하면 완제품에 이르는 원재료의 비율(Buy-to-fly ratio)을 획기적을 개선할 수 있습니다. 금속 3D프린팅에서는 부품과 서포트에 필요한 양만 사용되므로 상대적으로 적은 양의 원재료가 소모되며, 내부 다공성 격자 설계를 실현할수 있어 부품 전체의 무게를 경량화할 수 있습니다.
티타늄(Titanium) 3D프린팅하는 방법
티타늄(Titanium)을 포함한 금속 3D프린팅에서는 일반적으로 PBF 방식의 3D프린팅 시스템이 사용됩니다.
티타늄(Titanium) 합금을 3D프린팅하기 위한 여러 기술이 있습니다. 이 중 가장 일반적인 방식은 PBF(Powder Bed Fusion) 방식입니다. PBF 방식은 항공우주 부품뿐만 아니라 자동차 경량 부품, 의료용 임플란트를 생산하는데 사용됩니다. PBF(Powder Bed Fusion) 방식은 일정한 면적의 분말 베드에 금속 분말을 깔고 고출력 레이저를 조사하여 한층씩 용융시켜 제품을 쌓아 올리는 3D프린팅 방식입니다. 그 외에도 DED(Direct Energy Deposition, 고에너지 직접 조사 방식), RPD(Rapid Plasma Deposition, 급속 플라즈마 증착 방식), BJ(Binder Jet) 등의 방식으로 출력이 가능합니다. 대표적으로는 EOS의 금속 3D프린팅 시스템이 PBF 방식을 적용하고 있습니다. 소재 투입과 함께 제품이 동시에 생성되는 프로세스로 출력해야 할 티타늄(Titanium) 합금의 속성에 따라 PBF 처리 매개 변수를 최적화하고, 조정하여 미세한 다공성 구조를 이루는 소재의 속성을 제어해야 합니다. 그렇기 때문에 PBF 방식으로 진행되는 금속 3D프린팅 프로세스에서는 3D프린팅 중 재료의 미세구조가 어떻게 변화하는지, 에니지 밀도와 전달된 열이 재료 결정 격자와 어떻게 상호자용하는지를 주의깊게 봐야 합니다.
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티타늄(Titanium) 합금의 3D프린팅은 다면적이고 복잡한 열처리 주기로 소재의 기계적 특성에 영향을 줍니다. 모든 3D프린팅 시스템은 소재가 상이하고, 미세 조정이 가능한 범위가 지정되어 있기 때문에 이러한 추세와 관계를 설정하는 것은 어렵습니다. 최근에는 이를 극복하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으며, 금속 3D프린팅으로 제작된 대부분의 티타늄(Titanium) 합금 부품은 구조적으로 뛰어난 무결성을 자랑합니다.
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티타늄(Titanium) 합금 부품용 금속 3D프린팅을 위한 합금 분말과 3D프린팅 시스템을 구매하기에는 부담이 큽니다. 이러한 고객을 위한 다양한 금속 3D프린팅 서비스가 있으며, 일부는 3D프린팅이 최적화된 설계를 제안하기도 합니다. 티타늄(Titanium) 합금 부품을 의뢰할 때에는 어떤 합금을 적용해야하는지 문의를 주시면 보다 효율적인 상담이 가능합니다.
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· Titanium 6Al-4V, grade 5 - 3D프린팅에서 가장 일반적으로 사용되는 티타늄(Titanium) 합금입니다. 항공우주 및 자동차 부품의 프로토타입 또는 기능부품을 생산하는데 적합합니다. 또한, 기하학적이고 복작합 설계 정밀도를 요구하는 생산 툴링 시스템 부품을 제조하는데 탁월한 소재입니다.
· Titanium 6Al-4V, grade 23 - 생체에 적합한 티타늄(Titanium) 합금으로 의료용 임플란트 및 보철물에 주로 사용됩니다.
· Titanium Beta 21S - Titanium 6Al-4V 보다 강도가 높고, Titanium-15V-3Cr 보다 내산화성과 크리프 저항성이 높습니다. grade21 티타늄(Titanium)은 티타늄 합금 중 가장 낮은 수소흡수율을 보입니다. 정형외용 임플란트나 항공우주 엔진 애플리케이션에 적합한 소재로, 치열 교정용에도 폭넓게 사용되고 있습니다.
· Cp-Ti (Pure Titanium), grade 1, 2 - 티타늄(Titanium)의 높은 생체적합성은 의료 분야에서 이미 인정받았습니다. 인체와 관련된 응용 분야부터 의료까지, 광범위한 분야에서 사용됩니다.
· TA15 - 알루미늄(Aluminimu)과 지르코늄(Zirconium)을 첨가한 알파 티타늄(Titanium) 합금입니다. TA15로 만든 부품의 높은 비강도와 하중지지력, 그리고 내열성이 결합하여 항공기 및 엔진 구성의 중부하 부품에 사용될 수 있습니다.
티타늄(Titanium) 합금을 포함한 3D프린팅 공정에 사용되는 금속 분말은 인쇄 공정 중 유동성을 확보하기 위해 구형의 입자로 만들어집니다. 금속 분말 입자의 크기와 균일한 형태와 같은 특징이 출력된 제품의 기능을 좌우합니다. 결론적으로 양질의 티타늄(Titanium) 합금 분말과 우수한 성능이 3D프린팅 시스템, 그리고 이에 필요한 설계와 운용을 지원하는 DfAM 엔지니어가 제품의 품질의 결정하는 역할을 하게 됩니다. (주)HS하이테크는 금속 3D프린팅 분야의 글로벌 리더 EOS의 공식 파트너로 다양한 3D프린팅용 합금 분말과 금속 3D프린팅 시스템을 취급하고 있으며, 내부 우수한 3D프린팅 연구개발 인력과 함께 최적의 DfAM을 제공해드리고 있습니다.
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▼ (주)HS하이테크에서 제공하는 티타늄(Tiatnium) 합금 금속분말과 금속 3D프린팅 시스템 ▼
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※ 참고
- 3D Printing Titanium: Methods, Printers, Applications (https://all3dp.com/1/3d-printing-titanium-methods-printers-applications/)
▼ (주)HS하이테크에서 제공하는 3D프린팅 플랫폼 3DPlace(3D플레이스) 견적문의 바로가기 ▼
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