금속 3D 프린팅 재료

강철은 3D 프린팅에 사용되는 가장 일반적인 금속입니다. 우수한 재료 속성, 다용성 및 정밀 제조에서의 광범위한 사용으로 인해 3D 프린팅 강철은 고품질 파트를 만드는 데 탁월한 옵션입니다. 대부분의 유형의 강철을 프린팅할 수 있지만 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 유형은 스테인리스강과 공구강입니다. 이 금속은 더 비싸고 기존 방식으로 제작하기 어렵습니다.

긍정적인 특성:

• 우수한 강도 및 강성
• 다양한 재료 속성
• 열 처리 가능

스테인리스강(Stainless Steel)은 은 강하고 단단한 강철로 상당한 크롬 함량(최소 12%, 종종 최대 18%)에 의해 내부식성이 우수합니다. 오스테나이트 계와 마르텐사이트 계의 두 가지 유형의 스테인리스강이 일반적으로 프린팅에 사용됩니다.

• 가장 일반적인 유형의 스테인리스강인 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성이 우수하며 2 가지 모두 가공할 수 있습니다. 열처리는 할 수 없지만 용접이 가능합니다. 316L은 내식성이 뛰어난 것으로 알려진 일반적인 3D 프린팅 스테인리스강입니다.
• 마르텐사이트계 스테인리스강은 오스테나이트계보다 훨씬 더 단단합니다. 강철이지만 더 깨지기 쉽고 내부식성이 약합니다. 17-4 PH는 마르텐사이트 계 스테인리스강으로 다양한 재료 속성에 맞게 열처리가 가능하며 제조 전반에 걸쳐 광범위하게 사용됩니다.

공구강은 모든 종류의 공구들을 중심으로 사용되기 때문에 이름이 붙여졌습니다. 여기에는 절단, 연삭, 스탬핑, 성형 능력에 중요한 매우 단단한 화합물인 카바이드가 포함되어 있습니다. 일반적으로 매우 단단하고 내마모성이 있으며 많은 제품이 고온에서 사용할 수 있습니다. 가장 일반적으로 3D 프린팅된 세 가지 유형의 금속은 A 시리즈, D 시리즈 및 H 시리즈 공구강입니다.

• A 시리즈 공구강은 범용성이 뛰어나고 기계 가공이 가능한 공구입니다. 내마모성과 인성의 균형을 유지하고 있는 강입니다. A 시리즈에는 8가지 종류가 있으며 그 중 가장 일반적인 것은 A2 공구강입니다. 이 다용도의 냉간 가공 공구강은 펀치와 다이를 만드는 데 자주 사용되며 기타 다양한 애플리케이션에도 사용됩니다.
• D 시리즈 공구강은 내마모성과 경도에 대해 최적화되어 있습니다. 특별히 견고하지 않으며 냉간 작업용으로만 사용됩니다. D 시리즈에서 가장 일반적인 종류는 D2 강철입니다. 블레이드에서 산업용 절삭 공구 및 나이프에 이르기까지 모든 종류의 절삭 공구에 사용되는 냉간 가공 공구강입니다.
• H 시리즈 공구강은 높은 온도에서 재료를 절단 및 성형합니다. H13은 가장 일반적인 3D 프린팅 열간 공구강입니다. 우수한 3D 프린팅 금속 강도, 인성, 내마모성 및 내열성이 결합되어 고온에서 사용하기에 최적화된 우수한 범용 공구강입니다.

3D 금속 프린팅 기술은 상대적으로 저렴한 비용으로 고부가가치 합금을 제조할 수 있다는 점에서 차별화됩니다. 종종 기계 가공이 어렵고 비용이 많이 드는 3D 프린팅을 통해 기업은 절삭 방식보다 고성능 파트를 더 저렴하게 생산할 수 있습니다. 초합금은 고열, 부식성 화학 물질 또는 둘 다 있는 열악한 환경에서 성공적으로 사용됩니다. 프린팅 가능한 초합금이 많이 있지만 가장 일반적인 두 그룹은 인코넬과 코발트 크롬입니다.

긍정적인 특성:

• 우수한 기계적 속성
• 내열성
• 우수한 표면 안정성
• 내부식성
• 생체 적합성(코발트 크롬만 해당)

인코넬(Inconel)
가장 일반적인 독점 니켈 합금 그룹은 Inconel입니다. 매우 강하고 견고하며 부식에 강한 인코넬 소재는 터빈, 엔진 씰(Seal) 및 로켓에 사용됩니다3D 프린팅 인코넬에 가장 많이 사용되는 두 가지 공식은 더 강하고 질긴 Inconel 718과 내열성을 더 우수한 Inconel 625입니다. 둘 다 기존 방식으로 가공하는 데 비용이 많이 들기 때문에 3D 프린팅이 비용 효율적인 대안이 됩니다.

코발트 크롬(Cobalt Chrome)
이 초합금은 생체 적합성, 중량 대비 고강도와 우수한 내식성으로 유명합니다. 본질적으로 더 높은 등급의 더 조밀하고 더 비싼 티타늄 버전입니다. 인코넬과 마찬가지로 터빈 및 기타 적대적인 환경에서 사용되지만 정형외과 및 치과용 임플란트를 포함하여 인코넬이 적합하지 않은 의료 분야에도 사용할 수 있습니다.

기존 제조에 사용되는 일반적인 소재는 아니지만 티타늄은 중량 대비 강도 비율이 높고 비용(재료 비용 및 가공 비용 모두)이 높기 때문에 3D 프린팅에 적합합니다. 티타늄은 일반적으로 티타늄 합금 및 순수 티타늄(CP Ti로 알려짐)과 같은 2 가지 종류로 프린팅됩니다.

긍정적인 특성:

• 중량 대비 강도
• 내열성
• 내화학성
• 생체 적합성(공정 및 합금에 따라 다름)

티타늄 합금
티타늄은 다른 금속과 합금할 때 최고의 기계적 품질을 달성합니다. 가장 일반적인 티타늄 합금은 Ti64(Ti-6Al-4V)로, 17-4 PH 스테인리스강보다 더 강하고 밀도는 40% 낮습니다. 부식성 및 고온 환경에서 탁월합니다. 이러한 특성으로 인해 항공기 및 고성능 차량과 같이 중량 대비 강도가 높은 산업에서 최고의 선택입니다.

상용 순수 티타늄(CP Ti)

순수 티타늄은 대부분의 티타늄 합금만큼 강하지는 않지만 생체 적합성이 높습니다. 정형외과용 인서트 및 이와 유사한 의료 분야 애플리케이션에 사용됩니다.

구리는 3D 프린팅 가능한 금속 재료 중에서 완전히 고유한 가치를 제공합니다. 구리는 기계적 특성 대신 열 및 전기 전도성을 위해 사용됩니다. 금속 3D 프린팅을 통해 엔지니어는 방열판, 용접 암, 버스 바와 같은 기하학적으로 최적화된 구리 파트를 훨씬 저렴한 비용으로 만들 수 있습니다. 오늘날 모든 버전의 구리를 프린팅할 수 있는 시스템은 소수에 불과합니다. 구리는 순수한 형태 또는 일반적으로 합금 형태로 프린팅될 수 있습니다.

긍정적인 특성:

• 전기 전도성
• 열 전도성
• 내부식성
• 연성

순수 구리(Pure Copper)
순수 구리는 다른 구리 합금 중에서 열 및 전기 전도성이 가장 우수하여 선호되는 옵션입니다. 그러나 높은 전도성과 높은 레이저 반사율로 인해 구리는 표준 레이저 기반 시스템과 호환되지 않습니다. 순수 구리는 바운드 분말 압출 장비에서만 사용할 수 있습니다.

합금 구리(Alloyed Copper)
합금 구리는 일반적으로 일부 PBF(분말 소결 방식) 장비에서 프린팅할 수 있게 만드는 1-2%의 합금 원소를 포함하고 있습니다. 이 합금은 여전히 상대적으로 전도성이 있지만 순수 구리보다 열등한 옵션입니다. 프린팅 가능한 합금 구리의 예로는 크롬과 아연의 합금인 C18150이 있습니다.

알루미늄은 일부 금속 3D 프린터에 사용되지만 기존 제조 공정보다 3D 프린팅에서 훨씬 적게 사용됩니다. 3D 프린팅 금속 파트의 희소성은 낮은 프린팅 가능성과 기존 제조 비용이 상대적으로 저렴하다는 2 가지 요인에 기인합니다. 결과적으로 알루미늄을 사용하여 3D 프린팅된 금속 파트의 잠재적인 ROI 또는 금속 3D 프린터 가격이 항상 프린팅에 유리한 것은 아닙니다. 6061 및 7075와 같은 가장 일반적인 알루미늄 합금은 프린팅할 수 없습니다. 대신 알루미늄을 프린팅하는 Powder Bed Fusion 장비는 일반적으로 더 부드러운 주조 등급 알루미늄을 프린팅합니다. 이 주조 등급 합금은 중량 기준으로 최대 12%의 실리콘을 함유하고 있어 기계적 속성이 낮습니다.

긍정적인 특성:

• 저중량
• 내구성
• 연성

프린팅의 가치는 상대적으로 낮기 때문에 3D 프린팅에서 언제 보편화될지는 미지수입니다. 그때까지 티타늄과 강철은 개방 셀 채우기로 프린팅할 때 유사한 강도 대 중량 비율을 제공하는 반면 연속 복합재 3D 프린터는 훨씬 적은 비용으로 알루미늄 강도 파트를 생산할 수 있습니다.

3D 프린팅 알루미늄 파트에 관심이 있는 조직은 Markforged 탄소 섬유 3D 프린팅을 사용한 적층 제조를 고려해야 합니다. 이는 6061-T6 알루미늄과 동등한 강도를 가진 파트를 제작하는 동시에 강성, 내충격성, 내열성 및 내구성과 같은 향상된 재료 속성을 제공할 수 있습니다. 또한 6061 알루미늄과 비교하여 강화 탄소 섬유 제조는 중량 대비 강도 비율이 획기적으로 개선되어 항공우주 및 자동차와 같은 산업의 특정 고성능 애플리케이션에 중요할 수 있습니다.