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금속 3D프린터 도입 가이드

금속 3D프린터 도입 가이드

 

금속 3D프린터 도입을 고려하고 계신 고객님께 도움이 되는 정보를 드리기 위해 <3D프린팅 활성화 방안 연구_2021_강민철 박사 외>, <금속재료학_2020_조수연,박일부>의 내용을 일부 발췌하여 소개해드리고자 합니다. 해당 글은 계속적으로 업데이트 될 예정이니 많은 관심부탁드립니다.

1. 금속적층 기술 개요

금속적층 기술은 금속분말을 분무(atomizing) 방식 등으로 급랭하여 구형화 된 분말을 사용하며 분말소결(PBF)과 고에너지 직접조사(DED) 방식을 사용하고, 박판 기반형(sheet lamination)은 산업적 활용도가 매우 낮다.

분말 소결 방식이 적용된 금속 3D 프린팅 장비 판매 비율의 90% 이상을 차지하고 있는데 이는 부품의 복잡한 형상구현이 가능하고 경량화하기에 유리하기 때문이다.

그러나 최근 합금화된 금속 와이어를 사용하거나 수지와 금속분말을 혼합하여 필라멘트를 기본 소재로 하는 재료압출(Material Extrusion)방식, 금속 분말을 일정한 두께로 도포하여 바인더를 선택적으로 뿌리는 방식인 접착제 분사(Binder jetting) 방식 등이 여러 회사에서 개발되어 시판되고 있다.

3D프린팅용 금속 분말의 특징
3D 프린팅 공정에 적용되는 금속 분말들의 경우, 높은 구형도와 함께 적용될 3D 프린팅 공정 방식에 따른 적합하고 균일한 입도를 가지고 있어야 하며, 이를 바탕으로 우수한 흐름성 (Flowability) 역시 확보하고 있어야 합니다.

요구 사항으로 인하여, 현재 국내·외 3D 프린팅용 금속 분말 관련 제조업체들은 가스분무법 (Gas tomization)을 주로 적용하고 있습니다.

가스분무법은 원소재로부터 비활성 기체의 분무를 통한 급속응고 원리를 이용하여 미세한 금속 분말을 제조하는 공법으로, 공정 특성 상 장비의 대형화를 통한 규모의 확장이 용이하며, 분무 시 비활성 가스의 사용을 통한 제조 분말의 표면 품질 제어에 용이하다는 장점을 가지고 있습니다.
또한, 수분사법 대비 보다 높은 구형도와 입도 균일성을 가지는 분말 제조가 가능합니다.

한 편, 3D 프린팅용 금속 분말의 소재적인 측면에서는, 현재 알루미늄 합금의 경우 AlSi10Mg, AlSi12 등의 관련 합금이, 스테인리스 강 계열의 경우는 SUS 304, SUS 316이, 티타늄 계열의 경우에는 Ti6Al4V, 니켈 계열의 경우는 Inconel 625, Inconel 718 등의 합금 소재가 주로 3D 프린팅 공정에 적용되고 있습니다.

한 편, 3D 프린팅 공정으로의 적용을 진행할 경우, 알루미늄과 같은 일부 금속은 적층 공정에서의 용접성 및 조직적인 특성의 향상을 위해서 추가적인 원소를 첨가할 필요가 있습니다.
이로 인해, 기존 합금에 대한 3D 프린팅 공정에 대한 적합성의 평가 및 이에 대한 관련 합금의 설계 및 개발 역시 필수적인 사항이라고 볼 수 있습니다.

[출처] 3D 프린팅용 금속 분말-연속식 가스분무법 (가스아토마이징Gas atomization) | 작성자 HANA

2. 금속적층 제조공정

2.1 분말소결(Powder Bed Fusion, PBF)

분말 소결 방식은 복잡한 형상의 구현이 가능하여 우주항공, 의료, 자동차 부품 등에 다양하게 사용되고 있다. 분말 소결 방식은 SLS(Selected Laser Sintering) 또는 SLM(Selected Laser Melting), LaserCursing, DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 등의 용어를 제조사마다 혼용하고 있으나 그 원리는 동일하다.

분말 소결 방식은 분말공급 장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수십 ㎛의 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 선택적으로 조사한 후 한층 한 층씩 용융시켜 쌓아 올라가는 방식을 사용한다. 장비판매 대수나 산업계의 활용도는 분말 소결 방식이 금속 3D 프린팅 장비 중에서 판매 비율이 90% 이상 차지하고 있는데 이는 부품의 복잡한 형상구현이 가능하고 부품을 경량화하기에 유리한 방식이기 때문이다.

3. 적층제조용 분말의 종류와 응용분야

3.1 초내열합금 (니켈 베이스)

초내열 합금은 Ni 베이스, Co 베이스, Fe 베이스 합금으로 분류할 수 있으며, 산업적으로 중요하면서도 폭넓게 사용되고 있는 것은 Ni 베이스 초내열합금이다. Ni 베이스 초내열합금은 기지(matrix)로 Ni을 사용하며 Cr, Co, Al,W, Mo, C, Ta, Re 등 10여 가지의 합금원소를 첨가하여 고온에서 기계적 특성과 내 환경특성을 최적화한 합금을 말한다.

Ni 베이스 초내열합금은 고온내식성과 내열성이 요구되는 많은 산업분야에서 활용되고 있다. 이중 가장 중요한 응용분야는 항공기용 엔진과 발전용 가스터빈(연소를 통해 전기를 생산하는 발전소의 핵심부품)이다. 오늘날 운항되는 모든 항공기 엔진에 초내열 합금이 활용되고, 국내에서 전기를 생산하는 발전용 가스터빈에 초내열 합금이 사용되고 있으므로 산업적으로 대단히 중요하다.

적층제조 공정, 미세조직, 기계적 특성에서 사용빈도가 높은 Ni기 초내열합금으로 Hastelloy X, Inconel 625, Inconel 718, Haynes 282 등이 있다.

(1) Inconel 625

적층제조용 초내열합금 중 Inconel 625에 관련된 연구가 제일 많으며, 대표적인 내열 합금으로 높은 강도 및 고온 강도 및 내식성이 우수하다. 고온 산화저항성이 우수하고 초저온 환경에서도 우수한 물성을 보여 고온 내열설비에 사용되고 있으며, 핵 시설 관련 부품, 선박, 우주항공 부품 및 터빈, 제트엔진 배기 부품, 해수장비 등에 응용되고 있다.

(2) Inconel 718

Inconel 718은 염소 등 다양한 부식환경에 잘 견디고 시효경화가 매우 천천히 일어나며. 용접이 가능하다는 장점이 있다. 응용분야로는 핵 시설관련 부품, 우주항공, 원유시설, 터빈, 밸브 등에 다양하게 사용된다.

3.2 코발트 크로뮴(CoCr) 합금

코발트계 합금은 고온, 부식 및 내마모성, 내식성이 우수하여 ASTM F75에 규정된 코발트 크로뮴(CoCr) 합금으로 제조된다. 정형 외과 및 치과 등의 응용 분야에서 같이 니켈 알러지 방지를 위해 많이 활용된다. 코발트 크로뮴 MP1 금속 분말로 제조된 의료용 임플란트는 장기적인 성능에 필요한 경도와 생체 적합성을 가지고 있어 의료분야에 적용사례가 많다.

3.3 타이타늄계 합금

희귀한 원소일 것이라는 편견과는 달리 지각에 질량비 기준 9번째로 풍부한 원소다. 탄소보다 흔하다. 비싼 가격은 어디까지나 높은 제련과 가공 난이도 때문이다.

타이타늄 합금은 우수한 비강도, 생체 친화성 및 내식성 등의 장점을 가져 우주항공 분야나 국방, 자동차, 의료 등 다양한 분야에서 부품의 성능을 향상시킬 수 있는 핵심적인 소재이다.

타이타늄의 경우 산화 포화도가 높아 산소 농도가 높을 경우 강도는 향상되나 연신율은 감소한다. 이러한 연신율 저하는 극저온이나 고온에서 부품의 파단으로 이어지기 때문에 우주항공이나 에너지 발전 부품, 의료용 부품에는 산소 등의 불순물 함량이 낮은 그레이드(Grade) 23이 사용되고 있다

TI64 합금의 그레이드에 따른 조성

AIVFe
(max)
O
(max)
C
(max)
N
(max)
H
(max)
Grade 55.5-6.53.5-4.50.40.20.080.050.015
Grade 235.5-6.83.5-4.50.250.130.080.030.013
자료 : Metal Handbook, ASTM / 단위 : (wt%)

타이타늄 합금은 연신율에 큰 영향을 미치는 산소, 수소 등의 함유량이 엄격히 관리되고 있으며 이에 따른 등급을 규정하고 있다.

상용 티타늄은 불순물의 함량에 따라 등급(Grade)으로 분류된다. 시중에 유통되는 티타늄은 CP(Commercially Pure) 티타늄라고 부르는데, 질소,탄소,수소,산소,철의 함량에 따라 1, 2, 3, 4등급으로 나뉜다.
가장 불순물이 적은 것이 1 등급이다. 하지만 유의할 점은 등급의 숫자가 재질의 좋고 나쁘고를 가르는 점이 아니라는 것이다. 등급별로 서로 특성이 달라 각각 다른 용도로 사용되기에, 말 그대로 종류를 분류하는 기준이 ‘등급’일 뿐이다.
5등급부터는 티타늄 합금(Titanium Alloy)으로 분류된다. 대표적인 티타늄 합금으로는 Grade 5(6AL-4V = TC4), Grade 7(Ti-0.15Pd), Grade 12(Ti0.3Mo0.8Ni), Grade 23(6AL-4V Eli) 등이 있다.

3.4 알루미늄 합금

알루미늄 합금은 비중이 2.7로 타이타늄 합금의 비중 4.5보다 낮아 가벼우며 적층제조에 있어 기존 주조재에 비해 강도가 우수하다. 2015년 전에는 연신율이 3% 미만으로 충격에 약해 구조용 소재로 적합하지 않은 것으로 알려졌으나 최근 레이저의 성능개선, 적층 제조 조건 규명 등으로 기계적 특성의 향상이 이루어지고 있다. 따라서 자동차 부품, 스포츠 레저 부품, 우주항공용부품 등으로 적용사례가 확대되고 있어서 분말수요가 증가하고 있다.

적층제조에 사용되는 합금의 대부분은 Al-Si-Mg 합금으로 AlSi10Mg와 AlSi7Mg(AlF357)이 사용되고 있다. 적층제조 초기에는 AlSi12 합금이 많이 사용되었으나 연신율이 저하되어 최근에는 거의 사용하지 않는다. 실리콘이 첨가되면 용탕의 유동성이 증대하여 금속 분말제조시 유리하며 강도향상 효과가 커지게 되지만 연신율은 저하된다.

적층제조된 상태에서는 제조사간 차이가 있지만 AlSi10Mg 합금의 항복강도는 151~277MPa, 연신율은 4.0~19%를 나타냈다. 알루미늄 합금은 적층과정 중 급랭에 의한 열응력(thermal stress)*을 해소하기 해서 열처리하면 항복강도는 낮아지고 연신율은 10% 이상 향상되는 효과가있다. 제조사에서 밝힌 인장강도는 대부분 기계가공 후 인장한 데이터로, 최적의 공정조건과 분말상태를 고려하면 연구자들이 공개하는 강도보다 우수한 특성을 나타낼 것으로 예상된다. 연구자들이 논문에서 밝힌 합금의 항복강도는 230MPa 내외, 연신율은 6% 정도로 알려져 있다.

*열응력(thermal stress) : 물체의 온도를 증가시키면 팽창하고 감소시키면 축소한다. 이 물체의 팽창 또는 수축을 방해하면 응력이 발생하는데, 이 응력을 열응력이라 한다.

따라서 알루미늄합금 강도 및 연신율을 향상시키기 위한 합금개발이 진행되고 있다.최근에는 고강도 고인성 합금을 이용하여 우주항공 분야에 적용하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 대표적인 합금으로는 Airbus의 자회사인 APWorks
에서 개발한 Scalmalloy 합금이 있다. 이 합금은 압출용으로 개발된 것으로 고가의 스칸듐(Scandium)이 첨가된 합금이다.

Scalmalloy는 Al-Mg- Sc합금이지만 Mg이 7% 미만, Sc가 2% 미만, Zr 및 Mn이 1% 미만 첨가되는 것으로 알려져 있다. 이 합금의 기계적 성질은 분말제조사인 Heraeus에서 밝힌 항복강도가 470MPa, 연신율은 10%로 기존 AlSi10Mg 합금에 비해 우수한 기계적 특성을 나타내고 있다. 또한 열팽창계수도 낮아 온도변화에도 소재의 치수변화도 작다. 그러나 스칸듐 원소는 Kg당 최소 500만원 이상으로 우주항공 분야와 모터 스포츠 분야를 제외하고는 일반 구조용 소재로 사용하기에 가격적으로 한계가 있다

3.5 스테인레스 철계 합금

철강재료는 철기시대라는 시대적 분류가 생길 정도로 큰 혁신을 가져왔으며, 각종 합금과 플라스틱이 널리 쓰이는 현대 사회에서도 여전히 가격이 저렴하여 산업적으로 중요한 소재이다. 철은 금속으로서는 알루미늄에 이어 두번째로 지구에 널리 존재하는 원소이며 비교적 쉽게 탄소환원 반응으로 제련해낼 수 있어 인류문명 발전에 기여한 소재이다.

그러나 이온화경향이 비교적 높은 철은 쉽게 산화되고, 구리나 알루미늄 등과 같이 표면의 치밀한 산화피막이 형성되어 내부 금속을 보호하는 것을 기대할 수 없으므로 철강 소재를 사용하는데 있어 부식/방식처리가 중요하다.
이 때문에 철강소재의 내식성을 높이기 위한 연구가 계속되었으며 19세기말, 20세기 초에 걸쳐 철에 내식성이 좋은 크로뮴을 합금화 하는 시도가 성공해 스테인리스 강이 등장했다.

스테인리스 합금은 무게대비 13%의 크로뮴을 함금화하며, 26% 이상의 크로뮴은 산화 및 화학약품 등의 환경에서도 내
식성을 유지한다. 스테인리스강에서 크로뮴은 크로뮴 3가 산화물(Cr2O3)로 철의 피막재역할을 한다. 스테인리스는 조직에 따라 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계, 석출경화 마르텐사이트계로 분류하고 있다.

오스테나이트계, 300 시리즈 스테인리스강은 스테인리스강 시장의 70%를 차지한다. 적층제조에서 사용되는 것은 316L 합금이 대표적이다. 316L 합금의 비중은 7.99이며 열처리로 경화되지 않으며 비자성으로 수도배관, 해수설비, 화학, 제지산업 등 염분이나 유독가스 등 부식요인이 많은 환경에서 사용된다.

따라서 적층제조에서는 이러한 화학산업이나 발전설비, 외과용 수술 도구, 플라스틱 사출금형, 압출용 다이스 등의 부품으로 활용되고 있다. 316L의 L의 의미는 기존 316합금보다 탄소의 함량을 낮춘 저탄소 함량을 의미하며 탄소함량을0.03% 이하로 낮춘 합금이다.

마르텐사이드계 스테인리스강에는 크로뮴(12~14%), 몰리브덴(0.2~1%), 탄소(약 0.1~1%)가 포함된다. 마르텐사이드계 스레인리스강은 다른 스테인리스강과 달리 자성을 띤다,

석출경화 마르텐사이트계 스테인리스강의 부식 내구성은 오스테나이트계와 동등하며, 열처리에 의해 석출경화 되어 다른 마르텐사이드계보다 강도와 경도가 높으며 내열성도 우수하다. 대부분 공통적으로 17-7PH 또는 17-4PH을 사용하는데, 이는 앞의 17은 크로뮴 첨가량을, 뒤의 7 또는 4는 니켈의 함량을 의미한다.

Rick Kang

Rick Kang

Customer Success Manager

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