3D 프린팅에 어떤 금속을 사용할 수 있나요?

오프닝 워 스토리: 모든 것을 바꾼 제트 엔진 노즐

2015년, 항공 산업은 조용한 혁명을 경험했습니다. 새로운 초음속 제트기나 거대한 이층 비행기가 아니었습니다. 주먹만 한 작은 물체에 소용돌이치는 듯한 유기적인 내부 구조가 있는 것이었습니다. 바로 GE Aviation과 Safran Aircraft Engines의 합작 투자 회사인 CFM International에서 개발한 LEAP 제트 엔진의 연료 노즐 팁이었습니다.

수십 년 동안 이 중요한 구성 요소는 엔지니어링 측면에서 골치 아픈 문제였습니다. 이전 버전은 전통적인 제조, 세심하게 조립됨 20개의 서로 다른 개별 주조 및 용접 조각만들기가 복잡하고 무거웠으며, 조달하고 조립하는 것도 물류 측면에서 악몽이었습니다.

그러자 GE 엔지니어들이 획기적인 시도를 했습니다. 바로 인쇄를 해보는 것이었습니다.

직접 금속 레이저 소결(DMLS)이라는 기술을 사용하여 재설계된 노즐의 디지털 3D 모델을 기계에 입력했습니다. 기계 내부에서는 컴퓨터로 유도되는 고출력 레이저가 초미립 코발트-크롬 분말 층에 노즐의 모양을 층층이 꼼꼼하게 그려내 하나의 단단한 물체로 용접했습니다.

그 결과는 혁신적이었습니다. 새롭게 3D로 인쇄된 노즐은 다음과 같습니다.

• 하나의 견고한 조각, 20이 아닙니다. 이를 통해 용접 및 납땜과 관련된 모든 실패 지점이 제거되었습니다.
• 25 % 더 가벼움 원래 조립품보다.
• XNUMX배 향상된 내구성 뛰어난 내부 설계와 조인트 제거로 인해

오늘날 모든 LEAP 엔진은 3D 프린팅 연료 노즐 19개로 제작됩니다. 수만 대의 LEAP 엔진이 지금 전 세계를 누비며 가장 뜨겁고 격렬한 환경에서도 완벽한 성능을 발휘하고 있습니다. 현대 제트 엔진의 일부.

이건 단순히 영리한 부품에 대한 이야기가 아닙니다. 금속 3D 프린팅의 진정한 의미를 완벽하게 보여주는 사례입니다. 우리가 이미 만들고 있는 것들을 더 저렴하게 만드는 방법이 아닙니다. 이는 한때 불가능했던 새로운 것을 만들어내는 혁신적인 방법으로, 이전에는 꿈만 꿀 수 있었던 수준의 복잡성, 성능, 효율성을 실현합니다.

근본적인 질문: 3D 프린터가 정말로 금속을 인쇄하세요?

대부분의 사람들은 "3D 프린팅"이라는 말을 들으면 작은 데스크톱 컴퓨터에서 조용히 다채로운 플라스틱 루프를 압출하는 모습을 떠올립니다. 이는 가장 흔하고 중요한 질문으로 이어집니다. 이런 종류의 프린터 인쇄 금속?

답은 확실합니다 아니.

데스크톱 FDM(용융 적층 조형) 프린터는 약 200°C(392°F)에서 열가소성 필라멘트를 녹여 작동합니다. 금속과 같은 스테인리스 강1,400°C(2,550°F) 이상에서 녹습니다. 완전히 다른 물리와 공학의 세계죠.

금속 3D 프린팅, 보다 정확하게는 금속 첨가제 제조 (오전)는 매우 정교하고 값비싼 기계 내부에서 이루어지는 산업 공정입니다. 이러한 기계는 필라멘트 스풀을 사용하지 않고, 일반적으로 미세하고 완벽한 구형의 금속 분말 베드를 사용합니다. 또한 가열 노즐을 사용하지 않고, 고출력 레이저, 전자빔 또는 화학 결합제를 사용합니다.

그래서 답은 다음과 같습니다. 예, 우리는 견고하고 고성능의 금속 부품을 3D 프린팅할 수 있습니다. 하지만 이는 산업 공장과 첨단 연구실에서 탄생한 기술이지, 취미로 하는 사람들의 차고에서 탄생한 기술이 아닙니다.

"How": 핵심 금속 3D 프린팅 기술 해체

어떤 금속이 인쇄될 수 있는지 이해하려면 먼저 다음을 이해해야 합니다. 방법 인쇄됩니다. 방법은 하나만 있는 것이 아니라 여러 가지가 있으며, 각 방법은 고유한 장점과 용도를 가지고 있습니다.

1. 직접 금속 레이저 소결(DMLS) / 선택적 레이저 용융(SLM): 정밀 용접기

이는 GE 연료 노즐을 만드는 데 사용되는 가장 일반적이고 잘 알려진 기술입니다. DMLS와 SLM은 기술적으로 약간 다릅니다(DMLS는 입자를 소결하고 SLM은 입자를 완전히 녹임). 하지만 이 공정을 설명하는 데 종종 혼용됩니다.

프로세스(미세한 용접기와 유사):

1. 파우더 베드: 기계 챔버는 산화를 방지하기 위해 불활성 가스(아르곤 등)로 채워지고, 모래보다 미세한 금속 분말의 얇은 층이 빌드 플레이트에 펴집니다.
2. 레이저: 3D CAD 파일에 따라 안내되는 고출력 파이버 레이저가 분말층을 스캔하여 고체 부분이 있어야 할 곳에 금속 입자를 정확하게 녹이고 융합시킵니다.
3. 다음 레이어: 빌드 플레이트를 1밀리미터도 채 안 되는 부분까지 낮추고, 새로운 분말 층을 표면에 닦은 다음 레이저가 다시 작동하여 새로운 층을 그 아래 층에 용접합니다.
4. 반복: 이 과정은 수천 번, 수 시간 또는 수 일에 걸쳐 반복되며, 처음부터 부품을 제작합니다.
5. 후 처리 : 완성된 부품은 융착되지 않은 분말로 된 단단한 "케이크"에 싸여 있습니다. 이 부분은 조심스럽게 파내고 세척해야 하며, 빌드 플레이트에서 잘라내는 작업도 자주 필요합니다. 그런 다음 일반적으로 용광로에서 응력 제거 작업을 수행하고 지지 구조물을 제거해야 합니다.

2. 바인더 제팅: 접착 및 베이킹 방법

바인더 제팅은 완전히 다른 접근 방식을 취합니다. 인쇄 공정(성형)과 야금 공정(강화)을 분리합니다.

프로세스(금속용 잉크젯 프린터와 유사):

1. 파우더 베드: DMLS와 유사하게, 얇은 금속 분말 층을 빌드 플레이트에 펴 바릅니다.
2. "접착제": 2D 잉크젯 프린터의 프린트 헤드와 매우 유사한 산업용 프린트 헤드는 폴리머 결합제의 물방울을 분말 위에 선택적으로 증착시켜 입자를 "접착"하여 부품 층을 형성합니다.
3. 반복: 빌드 플레이트가 내려오고, 새로운 파우더 층이 도포되며, 이 과정은 부품이 완전히 형성될 때까지 반복됩니다. 이 단계에서 부품은 바인더로만 고정된 깨지기 쉬운 "녹색 상태"에 있습니다.
4. 경화: 녹색 부분을 파우더 베드에서 조심스럽게 꺼내 저온 오븐에서 경화시켜 폴리머 바인더를 태워 없앱니다. 이제 다공성이고 부서지기 쉬운 "갈색 상태"가 됩니다.
5. 소결: 갈색 부분을 고온로에 넣고 바로 아래 온도까지 가열합니다. 녹는 점금속 입자들이 서로 융합되어 단단한 금속 부품으로 치밀화됩니다. 이 마지막 단계에서 부품은 상당히 (그리고 예측 가능하게) 수축합니다.

3. BMD(Bound Metal Deposition) / FFF(Metal FFF): "필라멘트" 방식

이 기술은 우리가 알고 있는 데스크톱 FDM 프린터와 가장 유사한 기술입니다. Desktop Metal과 Markforged 같은 회사들이 개척한, 더 새롭고 접근성이 뛰어난 접근 방식입니다.

프로세스(일반 3D 프린터와 유사하지만 용광로 사용):

1. 필라멘트: 이 소재는 순수한 금속 와이어가 아닙니다. 왁스와 폴리머 매트릭스에 금속 분말을 촘촘히 결합한 복합 필라멘트입니다.
2. 인쇄 : 최첨단 FDM 기계와 매우 흡사한 프린터가 이 필라멘트를 압출하여 "녹색 상태"에서 레이어별로 부품을 제작합니다.
3. 디바인딩: 녹색 부분은 "디바인드" 스테이션에 놓입니다. 이 스테이션에서는 특수 유체를 사용하여 대부분의 폴리머 바인더를 용해하고, 부품을 다공성 "갈색 상태"로 남겨둡니다.
4. 소결: 바인더 분사와 마찬가지로 갈색 부분을 용광로에서 소결하여 금속 입자를 융합시켜 밀도가 높고 단단한 구성 요소를 만듭니다.

인쇄 가능한 금속 카탈로그: 강철부터 초합금까지

이제 "어떻게"를 이해했으니 "무엇"을 탐구해 볼 수 있습니다. 인쇄 가능한 금속의 목록은 끊임없이 확장되고 있습니다. 가장 중요하고 널리 사용되는 재료군은 다음과 같습니다.

스테인리스 스틸: 다재다능한 일꾼

스테인레스 강 가장 일반적으로 인쇄되는 금속으로, 강도, 내식성, 비용 면에서 뛰어난 균형을 제공합니다.

• 스테인레스 스틸 316L: 이것은 가야 할 자료입니다 다양한 용도로 활용 가능합니다. 내부식성이 뛰어나 의료기기(수술 도구, 임플란트), 식품 등급 제품, 선박용 하드웨어 등에 널리 사용됩니다.
• 17-4 PH 스테인레스 스틸: 이 강은 석출 경화 강입니다. 인쇄 후 열처리를 통해 매우 높은 강도와 ​​경도를 얻을 수 있어 고성능 기계 부품 및 사출 금형 압형.

알루미늄 합금: 경량 챔피언

무게는 없지만 강도가 필요할 때는 알루미늄을 선택하세요.

• AlSi10Mg: 가장 일반적인 3D 프린팅 알루미늄입니다. 가볍고 열적 특성이 우수한 주조 합금입니다. 자동차 부품(브래킷, 하우징), 항공우주용 덕트 등에 기본적으로 사용됩니다. 방열판. 강도 대 무게 비율이 이 제품의 가장 큰 특징입니다.

티타늄 합금: 고성능 엘리트

티타늄은 고성능 소재의 정점이며, 3D 프린팅은 이 소재의 잠재력을 최대한 발휘합니다.

• 티타늄 Ti6Al4V(Ti64): 인쇄 가능한 금속의 왕. 놀라운 강도 대 중량비, 뛰어난 내식성을 자랑하며, 생체 적합성까지 갖춰 인체에 무해합니다.
  • 어플리케이션 : 맞춤형 의료용 임플란트(고관절 컵, 척추 케이지), 고성능 항공우주 부품(구조적 브래킷, 랜딩 기어 부품), 고급 스포츠 용품.

니켈 초합금: 불 속에서 단련되다

이러한 소재는 상상할 수 있는 가장 극한의 환경에서도 성능을 발휘하도록 설계되었습니다.

• 인코넬 625 및 718: 이것은 다른 재료가 견딜 수 없는 매우 높은 온도에서도 강도를 유지하는 니켈-크롬 초합금입니다. 금속은 실패할 것이다.
  • 어플리케이션 : 제트 엔진의 가장 뜨거운 부품(터빈 블레이드, 노즐), 가스터빈 부품, 그리고 화학 및 원자력 산업의 하드웨어. 프린팅을 통해 복잡한 내부 냉각 채널을 제작하여 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

공구강: 제조의 거장

공구강은 다른 물건을 만드는 데 사용됩니다. 이를 3D로 인쇄하면 기존 제조 방식에 혁명을 일으키는 설계가 가능해집니다.

• H13 공구강 및 마르에이징강 M300: 이 강철은 매우 단단하고 내마모성이 뛰어납니다. 이 강철은 인쇄되어 사출 금형, 다이 및 절삭 공구. 여기서 가장 중요한 응용 분야는 다음과 같습니다. 적응형 냉각 채널—금형 캐비티의 정확한 윤곽을 따라가는 정교한 냉각 통로. 이를 통해 냉각 속도가 훨씬 빨라지고 사이클 시간이 크게 단축되며 부품 품질이 향상됩니다.

구리 합금: 열 관리자

• 순수 구리 및 GRCop-42: 순수 구리 인쇄는 높은 반사율로 인해 까다롭지만 점점 보편화되고 있습니다. 열전도도 고성능 방열판, 유도 코일, 로켓 엔진 연소실에 적합합니다.

중요한 질문에 답하기: 강도, 비용 및 가치

3D 프린팅된 금속은 튼튼한가?

네, 절대적으로. DMLS와 같은 첨단 방법으로 생산된 부품의 기계적 특성은 매우 뛰어납니다.

• 캐스팅과 비교: 3D 프린팅 부품은 주조 부품보다 거의 항상 더 강합니다. 빠른 용융 및 응고 과정을 통해 매우 미세한 입자의 미세 구조가 형성되어 뛰어난 강도와 경도를 제공합니다.
• 기계 가공(단조 금속)과 비교: 이것이 바로 황금 기준입니다. 전통적으로 기계로 가공된 부품은 단단한 단조 금속 블록으로 시작하여, 이상적인 입자 구조를 갖도록 가공 및 단조되었습니다. 3D 프린팅 부품은 이러한 특성에 근접할 수 있지만, 종종 다음과 같은 특징을 보입니다. 이방성—즉, 강도는 빌드 방향(Z축 대 X/Y축)에 따라 약간씩 달라질 수 있습니다.
• 후처리가 핵심입니다. 다음과 같은 프로세스 열간 등압 성형(HIP)부품을 높은 열과 압력에 노출시키면 내부 공동을 제거하고 단조 기준을 충족하거나 초과하는 특성을 지닌 완전히 밀도가 높은 부품을 만들 수 있습니다.

종합 평가 : 3D 프린팅된 금속을 약하거나 다공성이라고 생각하지 마세요. 3D 프린팅된 금속은 가장 까다로운 용도에도 적합한 견고하고 엔지니어링 등급의 소재입니다.

금속 3D 프린팅은 비쌀까? 솔직한 진실

네, 엄청나게 비쌉니다. 비용은 도입에 있어 가장 큰 장벽입니다. 그 이유를 자세히 살펴보겠습니다.

1. 기계 비용: 산업용 금속 3D 프린터의 가격은 250,000만 달러에서 2만 달러 이상까지 다양합니다.
2. 재료 비용: 금속 필요한 분말은 단순히 분쇄된 금속이 아닙니다. 완벽한 구형이어야 하고, 매우 특정한 입자 크기 분포를 가져야 하며, 극도로 순수해야 합니다. 따라서 대량의 금속보다 훨씬 비쌉니다. 고품질 티타늄 분말 1kg은 수백 달러에 달할 수 있습니다.
3. 노동 및 전문성: 이러한 기계를 작동하려면 높은 기술을 갖춘 기술자가 필요합니다.
4. 후 처리 : 응력 완화, 지지 제거, 중요 기능 가공 비용 표면 마무리 종종 인쇄 자체의 비용과 같거나 더 높을 수 있습니다.

비용 비교:

• 단단한 큐브와 같은 간단한 부품의 경우: 알루미늄 블록에서 가공하면 극적으로 싸다 3D로 인쇄하는 것보다.
• 내부 격자 구조를 갖춘 경량 브라켓과 같은 복잡한 부품의 경우: 3D 프린팅이 될 수도 있습니다 그것을 만드는 유일한 방법일련의 복잡한 설정을 통해 기계로 가공하는 것보다 더 저렴할 수도 있습니다.

엄지손가락의 법칙: 기존 방식으로 쉽게 만들 수 있다면 그렇게 하세요. 금속 3D 프린팅은 복잡한 문제를 해결하는 도구이지, 기존 기술을 대체하는 도구가 아닙니다. CNC 밀.

금속 3D 프린팅, 과연 가치가 있을까? 진정한 가치 제안

막대한 비용을 감안할 때, 이 기술은 기존 제조업에서는 제공할 수 없는 이점을 제공할 때에만 "가치가 있다"고 할 수 있습니다. 바로 여기에 이 ​​기술의 진정한 힘이 있습니다.

1. 무료로 제공되는 복잡성: 기존 제조 방식에서는 복잡성으로 인해 비용이 증가합니다. 모든 추가 기능은 추가적인 가공 단계를 거쳐야 합니다. 하지만 3D 프린팅에서는 내부 채널이 있는 복잡하고 유기적인 모양의 부품을 동일한 크기의 솔리드 블록으로 제작하는 것보다 더 많은 비용이 들지 않습니다. 이는 새로운 디자인 가능성을 열어줍니다.
2. 부분 통합: GE 연료 노즐에서 볼 수 있듯이, 수십 개의 간단한 부품을 하나의 복잡하고 안정적인 부품으로 결합할 수 있습니다. 이를 통해 조립 시간을 단축하고, 약점을 제거하며, 공급망을 간소화할 수 있습니다.
3. 경량화: 생성적 설계와 같은 도구를 사용하면 구조적으로 필요한 부분에만 재료를 사용하여 부품을 설계하고, 튼튼하고 견고한 골격 구조를 만들 수 있습니다. 이는 항공우주 및 자동차 산업에서 획기적인 변화로, 1g의 무게 절감이 연비 향상으로 이어집니다.
4. 신속한 프로토타입 제작 및 맞춤화: 디지털에서 갈 수 있습니다 기능성 금속으로 디자인하다 몇 주나 몇 달이 아닌 며칠 만에 프로토타입을 제작할 수 있습니다. 이는 제품 개발에 매우 ​​중요하며, 환자 맞춤형 의료용 임플란트와 같은 특별한 부품을 제작할 수 있게 해줍니다.

결론: 마법의 총알이 아닌 도구 상자의 새로운 도구

그렇다면 3D 프린팅에 어떤 금속을 사용할 수 있을까요? 정답은 공학 분야에서 알려진 최첨단 소재들의 놀라운 조합입니다. 외과의사의 손에 사용되는 스테인리스 스틸부터 전투기 프레임의 티타늄, 로켓의 초합금까지, 엔진, 적층 제조는 우리의 세상을 바꾸고 있습니다.

그러나 선반이나 밀링 머신. 그것은 그들과 함께하는 새롭고 놀라울 정도로 강력한 도구입니다. 이 기술은 단순한 형상을 만드는 것이 아니라, 복잡한 문제를 해결할 수 있는 능력으로 정의됩니다. 엔지니어들은 이 기술을 통해 단순히 설계를 완성하는 데 그치지 않고, 이전에는 불가능했던 방식으로 설계할 수 있습니다. 다음에 공장에서 나온 것보다 자연에서 온 것처럼 보이는 복잡한 금속 부품을 보게 된다면, 용접을 한 층씩 쌓아 올리는 것이 얼마나 강력한지 알게 될 것입니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

1. 3D 프린터로 금속을 인쇄할 수 있나요?
네, 하지만 일반적인 데스크톱 3D 프린터는 아닙니다. 금속 3D 프린팅은 특수하고 값비싼 기계를 사용하여 금속 분말 층을 레이저, 바인더 또는 기타 고에너지원으로 융합하는 산업 공정입니다.

2. 금속 3D 프린팅은 가치가 있나요?
그것은 비용이 많이 들더라도 그만한 가치가 있다 전통적인 제조 방식으로는 제공할 수 없는 고유한 이점을 통해 정당화됩니다. 여기에는 매우 복잡한 형상의 제작, 여러 부품을 하나로 통합, 상당한 경량화, 또는 의료용 임플란트와 같은 맞춤형 일회용 부품 생산이 포함됩니다.

3. 3D 프린팅된 금속은 튼튼합니까?
네, 3D 프린팅 금속은 매우 튼튼합니다. DMLS와 같은 기술로 제작된 부품은 캐스트 메탈 그리고 적절한 후처리를 거치면 단단한 블록(단조 금속)에서 기계로 가공한 부품의 강도에 근접할 수 있습니다.

4. 금속을 3D로 인쇄하는 데 비용이 많이 들까요?
네, 간단한 부품을 제작하는 전통적인 방식에 비해 비용이 매우 많이 듭니다. 높은 비용은 고가의 기계, 특수 금속 분말, 숙련된 노동력, 그리고 복잡한 후처리 과정 때문입니다. 다른 방식으로는 만들기 어렵거나 불가능한 복잡한 부품을 제작하는 데 가치가 있습니다.

참조 및 추가 읽을거리

1. GE 첨가제: 금속 분야의 선두주자 적층 제조 기술과 LEAP 엔진을 만든 회사 노즐 성공 사례. ge.com/첨가제
2. ASTM 국제 위원회 F42 적층 제조 기술: AM 소재 및 공정에 대한 산업 표준을 개발하는 업무를 담당하는 조직입니다. astm.org/COMMITTEE/F42.htm
3. 3D 프린팅 산업: 적층 제조 분야의 최신 개발, 소재 및 응용 분야에 대한 선도적인 온라인 뉴스 소스입니다. 3D프린팅산업닷컴
4. EOS GmbH: 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 기술 분야의 선구자이자 글로벌 리더로, 웹사이트에서 인쇄 가능한 소재와 그 특성에 대한 광범위한 자료를 제공합니다. 에오스 인포

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