[3D 프린팅 재료] 3D프린팅을 위해 티타늄 vs 알루미늄 중 어떤 금속을 골라야 하나요?

안녕하세요!산업용 3D프린터 전문(주)에이엠 코리아입니다.금속은 현재 적층 제조 공정에서 가장 인기 있는 소재의 1개입니다.당연히 그 뛰어난 특성으로 인한 성능과 강도가 가장 절실한 응용 분야에서 이상적인 선택이 됩니다.이 기사는 주로 3D프린팅으로 사용되는 2개의 주요 금속인 티타늄과 알루미늄에 초점을 맞춥니다.이들은 주로 L-PBF(Laser Powder Bed Fusion)과 DED(Directed Energy Deposition) 같은 공정에 사용됩니다.이들은 주로 분말 형태에서 사용되며 특히 산업 환경에서 사용됩니다.우리는 이들의 유사점과 차이점을 비교하고 그들의 특성과 응용 분야, 그리고 이 제조 공정에서 제공하는 장점을 더욱 잘 이해하기 위해서 분석합니다.티탄과 알루미늄의 생산과 특성 3D프린팅을 위해서 어떤 금속을 골라야 합니까?티탄 vs알루미늄

∎ 티타늄 티탄은 원소로 자연스럽게 발견되지 않고 대신 루틸(TiO2)또는 일메 나이트(FeTiO3) 같은 광물에서 추출해야 합니다.순수 티타늄 추출은 복잡한 프로세스를 거칩니다.가장 널리 이용되고 있는 순수한 티탄의 생산 방법은 1940년에 미국의 화학자 윌리엄·J·자유형이 개발한 자유형 방법입니다.이 방법은 염소 가스(Cl2)을 사용하고 티탄 산화물(TiO2)을 티타늄 사사 염화물(TiCl4)에 환원한 뒤 마그네슘(Mg)에 환원하는 과정을 포함합니다.자유형 방법은 순수 티타늄 생산에 효과적이지만 많은 에너지를 필요로 하는 비용이 드는 프로세스입니다.또 티탄의 높은 반응성 때문에 순수 금속으로는 얻을 수 없습니다.실제로 상용 순수 티타늄으로 간주되는 순도99.9%의 샘플도 받기 어렵습니다.그러므로 일반적으로 다른 원소와 결합하고 합금을 형성하기 위해서 사용됩니다.

티타늄은 여러 성질을 갖고 있고 여러 산업 분야에서 아주 유연하고 유용하게 사용되고 있습니다.전술대로 합금 형태로 사용될 것이 많지만 순수하게 추출된 티탄은 높은 생체 적합성이 높은 의료 산업 같은 특정 분야에서 사용됩니다.주요 특성은 높은 기계적 강도, 낮은 밀도, 뛰어난 내 부식성 및 높은 강성이 있습니다.3D프린팅으로 주로 사용하는 주요 티타늄 합금은 다음과 같습니다:Titanium 6Al-4V, 그레이드5:가장 중요하고 흔한 티타늄 합금입니다.높은 강도와 내구성 때문에 적의 제조에 사용됩니다.이 합금은 티탄 알루미늄, 바나듐으로 구성되어 있으며, 고온 부식 환경에 견딜 수 있습니다.Titanium 6Al-4V, 그레이드 23:생체 적합성에서 의료 임플란트 보철에 잘 써집니다.Titanium Beta 21S:일반적인 티탄 합금보다 강도가 높고 산화나 변형에 저항성이 있습니다.골절 임플란트 항공 우주 엔진에 적합합니다.베타 티탄은 교정 치과에서도 중요시되고 있습니다. Cp-Ti(pure titanium), grade 1, 2:이 합금은 티타늄과 인체의 생체 적합성 때문에 의료 산업에서 다양한 응용 분야에 사용되고 있습니다.TA15:거의 완전히 티타늄으로 구성된 합금에 알루미늄과 지르코늄이 첨가되어 있습니다.이 합금으로 만들어진 구성품은 매우 강한 고온이 강해서 항공기, 엔진의 튼튼한 부품의 제작에 이상적입니다.강도에 비해서 중량이 매우 가볍게 경량화에 뛰어납니다.∎ 알루미늄은 경량성과 강도 사이에서 뛰어난 균형을 제공하는 금속입니다.부식에 강한 용접이 가능합니다.순수한 상태에서 발견되는 것은 대단히 드물다 때문에 실리콘, 마그네슘 등의 금속과 합금 형태로 사용됩니다.티탄과 마찬가지로 순수한 상태에서 재료를 얻기 위해서2가지 연속한 산업 프로세스가 열립니다.최초의 공정인 베어 공정에서는 보크 사이트 원석에서 알루미늄 산화물을 얻습니다.원석을 세탁하고 분쇄한 후 알루미늄 수산화물을 얻기 위해서 카우스토티쯔크소ー다에 타서 필터링 합니다.다음에 알루미늄 산화물 분말을 얻기 위해서 가열합니다.2번째의 공정인 호ー루헬토 공정에서 알루미늄 산화물의 전기적 환원하고 순수한 알루미늄을 얻습니다.대부분의 가공 공장은 광산 근처에 건설되면 원석의 수송 비용을 절감하기 위해서 위치하고 있습니다.

전술한 것처럼, 알루미늄 합금은 순수한 형태보다 일반적으로 사용되면서 다양한 산업 분야에서 사용되고 있습니다.또 매우 뛰어난 장점 대 중량비와 뛰어난 피로와 부식 저항성을 가지고 있습니다.재활용할 수 있어 열과 전기를 전도하고 독성이 낮습니다.알루미늄 3D프린팅으로 주로 사용하는 주요 합금은 다음과 같습니다:AISi10Mg:실리콘과 마그네슘에서 형성되는 가장 일반적인 합금입니다.튼튼하고 복잡한 부품의 제조에 사용할 수 있는 하우징, 엔진 부품 및 생산 도구 등 다양한 것을 만들기 위해서 사용됩니다.Al2139:가장 강한 알루미늄 합금으로, 경량성, 강도, 화학 저항성으로 자동차 산업 등의 산업에 이상적입니다.미국 공군, Mercedes-Benz및 Airbus 같은 조직에서 사용되었습니다.이 재료의 이점은 따로 적층 제조를 위해서 설계되고 있어 시장의 다른 많은 합금보다도 뛰어난 성능을 발휘합니다.Al 7000 series:높은 인장 강도와 저온 저항성을 가진 유명한 분말 합금 시리즈입니다.Al 6061&Al 7075:최근에는 이들2개의 합금을 사용하여 3D업체들이 매우 좋은 결과를 얻었습니다.6061은 7075에 비해서 인장 강도와 경도가 낮아요.한편 7075는 6061알루미늄보다 뛰어난 충격 저항성과 변형이 적습니다.A201.1:구리-알루미늄 합금 200시리즈의 일부로 알려진 매우 강한 합금입니다.그러나 주조가 어려운 특성을 갖고 있습니다.이들의 합금은 수송과 항공 우주 등의 중량-강도비가 중요한 응용 분야에 권장됩니다.∎ 2개의 재료 간의 차이강도-중량비:강도와 내구성이 필요한 경우는, 티타늄이 이상적인 선택입니다.그래서 의료 부품이나 인공 위성 기능 등에 사용됩니다.한편, 알루미늄은 티타늄보다 강도가 낮지만 훨씬 가볍고 경제적입니다.열적 특성:열 전도성이 높은 필요한 어플리케이션은 알루미늄이 적합합니다.한편 고온 환경에서 사용되는 항공 우주 엔진 부품처럼 높은 용융 점이 필요한 경우, 티타늄이 이상적입니다.부식 저항성:알루미늄과 티탄의 양쪽에 뛰어난 부식 저항성을 가지고 있습니다.생체 적합성:티탄은 알루미늄보다 생체 적합성이 높습니다.그래서 의료 부문에서 널리 사용되고 있습니다.요약하면 티탄은 강도와 내구성이 중요한 상황에서 알루미늄은 가볍고 경제적인 재료로서 사용됩니다.열 전도성이 중요한 어플리케이션에서는 알루미늄이 고온 환경에서는 티타늄이 적합합니다.어느 재료도 부식 저항성이 뛰어나고, 의료 분야에서는 티타늄이 더 널리 사용되고 있습니다.재료 형태와 3D프린팅 기술과의 호환성, 3D프린팅의 때문에 어떤 금속을 골라야 합니까?티탄 vs알루미늄

∎ 형태의 대부분의 경우 티탄과 알루미늄은 분말 형태로 제공됩니다.그러나 Virtual Foundry와 Nanoe 같은 업체가 제공하는 티타늄이나 알루미늄 필라멘트의 같은 와이어의 형태에서도 입수할 수 있습니다.이들 금속 부품을 3D프린트 하려면 우선 합금 분말을 획득할 필요가 있습니다.이것은 주로 플라스마 원자화 또는 가스 원자화라는2가지 주요 기술을 사용하여 수행됩니다.플라스마(이온화된 기체)원자화는 고온, 에너지 및 열원, 아르곤 같은 비활성 매질, 그리고 고속으로 금속을 원자화하는 과정입니다.이 프로세스는 고품질의 내마모성 분말을 생성합니다.한편 가스 원자화는 공기, 아르곤, 또는 헬륨을 기체로 사용하여 용융된 물질 스트림을 파편화하는 과정입니다.이는 매우 효율적인 프로세스이며, 미세한 구형의 금속 분말을 생산하는 데 널리 사용되고 있습니다.금속 분말을 제조하는 기술은 최종 부품의 특성에 영향을 주기 때문에 중요합니다.

소결되지 않은 64-5 티타늄 기어

∎ 사용되는 3D프린팅 기술화 티타늄을 3D프린팅으로 다루기 위해서 다양한 프로세스를 사용할 수 있습니다.여기에는 레이저 분말 침전(L-PBF), DED, 바인더 제트가 포함됩니다.알루미늄에 관련하는 프로세스로는 이전 언급된 것 외에 콜드 스프레이가 있습니다. L-PBF는 레이저 광선을 사용하여 분말 금속을 층이 단열 점까지 가열하고 물체를 구성하는 프로세스입니다.티탄은 매우 고온(1600℃)에 녹기 때문에 3D프린팅 전에 재료의 열 및 기계적 효과를 분석할 필요가 있습니다.알루미늄의 용융 온도는 훨씬 낮은(약 630℃)인데, 알루미늄은 반사율과 열 전도율이 높습니다.알루미늄과 함께 적층 제조하는 이제1개의 흥미로운 측면은 다른 금속이 나중에 끝을 형성하는 것과는 달리 알루미늄은 자연스럽게 산화층을 형성한다는 것입니다.이에 따른 알루미늄의 얇은 산화층이 프로세스를 늦춥니다.DED(Directed Energy Deposition)의 경우 과거와 매우 유사한 프로세스입니다만, 여기에서는 노즐에 공급되는 재료가 침전하는 동안에 녹아들어 제조를 위해서 분말 또는 와이어의 형태로 사용할 수 있습니다.통상 이 기술은 생산 속도가 빠르고 단위 체적당의 코스트가 낮아집니다.바인더 제트의 경우 재료는 녹지 않은 분말 형태에서 제공하며, 입자가 서로 접착하기 위해서 바인더가 멀티젯 프린터 헤드를 사용하여 특정 위치에 분사됩니다.프린트 후에는 소결 과정 및 기타 응고 후 처리가 필요합니다.3D프린터에서 나온 부품은 매우 깨지기 쉬워다공성이며 최종적인 기계적 특성을 얻기 위해서 열 처리가 필요합니다.콜드 스프레이 프로세스의 경우 금속 재료도 분말 상태로 존재하지만 이 경우는 녹이거나 용융할 필요가 없어서, 콜드 스프레이는 열 변형을 피하고 보호 대기를 필요로 하지 않습니다.

∎ 후 처리 최적의 결과를 얻기 위해서는 1개 이상의 후처리 단계를 거치는 것이 중요합니다.티탄과 알루미늄의 뒷감당에 별 차이가 없으니 다음 단계는 양쪽의 재료에 적용됩니다.티탄과 알루미늄은 기계적으로 노출된 응용 분야에서 잘 사용되기 때문에 비드 블래스팅과 샷 핀 당사자가 매우 유용합니다.처음의 방법인 비ー도브라스팅은 작은 금속 또는 세라믹 비드가 부품 표면에 날리자 부품의 표면층을 조절적으로 변형시킵니다.이는 후속의 코팅 접착력을 향상시키고 균열이나 파손의 가능성을 줄이는 등의 효과가 있습니다.샷 핀 당사자는 재료의 상부층만을 제거해서 부품의 미적 외관을 개선하고 오염과 부식을 제거하고 후속 코팅을 위한 표면을 준비합니다.벌써 1개의 옵션은 금속 프린팅과 전통적 제조 방법을 조합하는 것입니다.CNC가공은 이를 위한 적절한 사후 처리 공정에서 궁극적인 치수 정밀도와 소망의 표면 마무리를 보장합니다.특히 DED기술에서는 금속이 직접 용융되어 3D프린팅 된 부품들은 매우 거친 표면을 가지고 있습니다.그러므로, 부드러운 정의된 표면을 얻기 위해서는 항상 CNC가공이 필요합니다.DMLS표면마무리(후처리없음)/가공 표면 마감솔루션 안과 링은 열 처리 옵션 중 하나로 프린트된 부품을 고온으로 가열한 뒤 빠르게 냉각된 미세 구조를 변경하는 과정입니다.이로써 재료의 가동성 또는 부하에 따른 변형 능력이 향상합니다.일반적으로 이 프로세스를 통해서 보다 좋은 기계적 특성을 얻을 수 있고, 이는 주로 알루미늄 부품에 사용됩니다.신 테일링은 알루미늄과 티탄이 FDM또는 분말 접착 같은 간접적인 3D프링팅프로세스에 사용될 때도 필요합니다.프린팅 단계 이후는 부품이 폴리머와 금속 바인더가 분리되는 데 바인딩 과정을 거쳐야 합니다.그 뒤 부품은 용융 온도 밑의 특정의 온도로 가열되고 신 테린구로에서 고체화되는 과정을 거칩니다.이로써 바인더가 위치하는 공간이 닫히고 압축이 발생하는, 매우 낮은 다공성을 가진 부품이 형성됩니다.∎ 애플리케이션 항공 우주 산업은 티탄의 3D프린트를 사용하는 것으로 큰 이점을 얻고 있습니다.티탄은 비행기 엔진이나 가스 터빈 등의 항공 우주 부품을 제조하는 데 이상적인 재료인, 고 부하 구조물의 중량을 대폭 줄일 수 있습니다.티탄의 3D프린팅 애플리케이션의 1개는 보잉과 Norsk Titanium의 파트너십을 통해서 787드림 라이너의 대형 구조 부품을 제조하는 것입니다.이 과정에서 사용되는 기술은 DED(Directed Energy Deposition)로서 알려졌고, 파우더 베이스의 시스템보다 50배에서 100배 빠른 단조에 비해서 티타늄을 25%에서 50% 적게 사용함으로써 항공기에 최대 300만달러까지 절약할 수 있대요.현재, 티타늄은 3D프린팅을 통해서 우주 탐사에 사용되고 있지만 알루미늄 산업 응용 분야는 증가하고 있습니다.예컨대 보잉은 냉각 단계에서 나노 입자로 코팅된 알루미늄 합금으로 3D프린팅 부품을 생산하고 있습니다.이에 의한 뜨거운 때에 균열이 발생하지 않는 매우 강한 알루미늄 합금을 용접할 수 있게 됩니다.제조된 부품은 한결 덜어 항공기가 연료를 효율적으로 사용하고, 양의 연료에서 더 거리를 이동할 수 있습니다.자동차 산업은 티탄의 효과는 보급에 어려움을 겪을 가능성이 있는데, 특히 고급 자동차 세그먼트에서 사용이 증가할 가능성이 있습니다.현재 3D프린팅은 중량/성능비가 중요한 부품을 만드는 데 사용되고 있습니다.가령 브갓티은 SLM(Slective Laser Melting)기술을 사용하여 티타늄 브레이크 시스템의 브레이크 캘리퍼를 불과45시간에 인쇄했습니다.그 결과는 전통적으로 제분된 알루미늄 브레이크 캘리퍼보다 40% 가볍다고 합니다.가벼운 무게에도 불구하고, 티타늄 부품은 탄력성과 온도 저항성을 보증합니다.한편, 알루미늄은 자동차 업계에서 훨씬 더 일반적으로 사용되고 있습니다.포르셰는 3D프린팅을 사용하고 기술적으로 뛰어난 알루미늄 피스톤을 자사의 주력 모델인 GT2RS의 911에 적용했습니다.이 기술을 사용하면 700마력의 트윈 터보 엔진은 최대 30마력의 추가 출력을 얻을 수 있고 효율성을 향상시킬 수 있습니다.이어 2020년에는 포르셰가 전기 변속기용으로 알루미늄으로 만들어진 3D프링팅하우징그을 생산하고, 이는 회사의 모든 품질 및 하중 시험을 통과했어요.Trab Tech, 섬유 기둥형 티타늄 임플란트 제조Trab Tech, 섬유 기둥형 티타늄 임플란트 제조산업용 3D프린터는 ㈜에이엠코리아와 함께~!항상 저희 AM코리아를 이용해주셔서 감사합니다.장비 문의, 시제품 문의, 제조사 공간 구축 등에 대해 문의 주시면 친절하게 상담해 드리겠습니다.산업용 3D 프린터 전문(주)에이엠코리아#티타늄#알루미늄#금속 소재#적층 제조#금속 3D프린터#GE#DMLM#EBM#항공 우주#의료 부품#자동차 부품#제조 산업#에이엠 코리아#3dprinting#3dPrinter#3d프린터#3d프린팅#3D프린터 출력#3D프린터 제조 회사#목합#3D프린터 추천