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
3D 프린팅은 티타늄의 디자인 자유도를 확장하여 다음과 같은 산업 전반에 걸쳐 도입을 촉진합니다:
항공우주
- 구조용 브래킷
- 경량 격자
- 엔진 구성 요소
자동차
- 모터 스포츠 장비
- 맞춤형 부품
의료 및 치과
- 정형외과 임플란트
- 수술 기구
- 환자 맞춤형 보철물
석유 및 가스
- 부식 방지 밸브
- 맞춤형 파이프 피팅
소비자 제품
- 스포츠 장비
- 시계 케이스
- 안경테
최적화된 토폴로지와 컨포멀 냉각으로 많은 티타늄 프린트 부품의 성능을 향상시킬 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
티타늄 3D 프린팅의 장점
- 우수한 기계적 성질
- 높은 생체 적합성
- 부식 및 내열성
- 낮은 밀도로 경량 설계 가능
- 토폴로지 최적화를 위한 자유로운 설계
- 맞춤형 부품의 신속한 처리
- 기계 가공에 비해 낭비 감소
티타늄 3D 프린팅의 단점
- 티타늄 분말은 비싸다
- 반응성으로 인한 처리 문제
- 다공성 결함으로 인해 피로 강도가 제한될 수 있습니다.
- 후처리가 필요할 수 있습니다.
- 재활용 파우더는 오염 위험이 있습니다.
- 항공우주 품질에 대한 제한된 공급업체 기반
기술, 생산성 및 품질이 지속적으로 향상됨에 따라 3D 프린팅은 다른 방법으로는 불가능한 티타늄 사용 사례를 가능하게 합니다.
티타늄 인쇄 프로세스 비교
오늘날 티타늄 3D 프린팅에는 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)과 같은 분말 베드 융합 기술이 주로 사용됩니다.
선택적 레이저 용융(SLM)
- 더 높은 해상도 및 표면 마감
- 더 빠른 빌드 속도 가능
- 제한된 빌드 챔버 크기
전자빔 용융(EBM)
- 진공 상태에서 완전 고밀도 부품 제작
- 우수한 기계적 성질
- 더 큰 규모의 빌드 가능
- SLM보다 느린 빌드 속도
직접 에너지 증착(DED)
- 기존 구성 요소 수리
- 주조 또는 단조 부품에 기능 추가
- 3D 프린팅과 기계 가공의 결합
- 파우더 베드 방식보다 높은 다공성
각 공정에는 티타늄 프린팅의 장점과 단점이 있습니다. 공정을 결합한 하이브리드 제조는 유연성을 제공합니다.
티타늄 분말 및 인쇄 부품에 대한 표준
금속 적층 제조의 빠른 발전 속도에 맞춰 품질 표준도 계속 진화하고 있습니다. 몇 가지 주요 표준은 다음과 같습니다:
- ASTM F2924 - 분말 베드 융합을 통한 티타늄-6 알루미늄-4 바나듐 적층 제조의 표준 사양
- ASTM F3001 - 분말 베드 융합을 통한 적층 제조 티타늄-6 알루미늄-4 바나듐 ELI(초저간극) 표준 사양
- ASTM F3184 - 분말 베드 용융을 통한 적층 제조 스테인리스강 합금의 표준 사양
- ISO/ASTM 52921 - 적층 가공의 표준 용어
이러한 자발적 합의 표준은 중요한 파우더 및 인쇄된 부품 속성에 대한 허용 기준을 정의하는 데 도움이 됩니다. 애플리케이션별 사용자 부품 자격은 여전히 중요합니다.
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.
티타늄은 3D 프린팅 시 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 부문에서도 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 프린팅 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.
