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금속 3D 프린팅은 이전에는 경험하지 못했던 속도로 제조 세계에 혁명을 일으키고 있으며, 설계자와 엔지니어를 기존의 제약에서 해방시켜 줍니다. 고성능 항공우주 부품 부터 개별 의료 기기 , 복잡하고 무게를 줄이는 산업 장비에 이르기까지, 정확한 금속 소재 선택은 이러한 용도의 문을 열어줍니다. 이 글 에서는 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 스테인리스강, 고온 합금, 공구강, 귀금속 등 3D 프린팅에 적합한 주요 금속 소재와 그 특징, 적합한 공정, 그리고 주요 사용 분야를 자세히 다루며, 금속 적층 제조의 무한한 잠재력을 펼칩니다.

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티타늄 합금: 가볍고 고강도의 왕

Ti6Al4V(5등급 및 23등급) 및 기타 티타늄 합금에 대한 자세한 소개

Ti6Al4V

TC4 티타늄 합금 으로도 알려진 이 합금은 전형적인 α+β 티타늄 합금입니다. 이 합금의 화학 조성은 주로 티타늄(Ti)을 기지로 하고, 합금의 강도와 열 안정성을 높이기 위해 알루미늄(Al)(6%), 그리고 가소성과 내식성을 향상시키기 위해 바나듐(V)(4%)으로 구성됩니다. Ti6Al4V는 강도, 인성, 내열성 및 내식성, 그리고 낮은 밀도 등 다양한 장점을 가지고 있습니다. 세계에서 가장 널리 사용되는 티타늄 합금으로, 전 세계 티타늄 합금 사용량의 50% 이상을 차지합니다. 간단히 말해, 알루미늄보다 단단하고, 강철보다 가벼우며, 스테인리스강보다 내식성이 뛰어납니다.

5등급(Ti-6Al-4V)

5등급(Ti-6Al-4V)은 워크호스 등급으로, 인장 강도(≥895 MPa), 항복 강도(≥830 MPa) 및 점진적으로 높아지는 연성(신율 ≥10%)의 최상의 조합을 제공하기 때문에 가장 널리 사용되는 워크 호스 티타늄 합금입니다. 저간극 함량의 23등급(Ti-6Al-4V ELI, 초저간극)은 고강도(인장 강도 ≥828 MPa), 파괴 인성 및 손상 내성을 저하시키지 않으면서 현저히 향상시킵니다. 특히 심해 유정 탐사 라이저, 항공 부품 및 인공 관절과 같이 최대 신뢰성, 다축 응력에 대한 높은 저항성 또는 저온 서비스가 필요한 안전이 중요한 하중 지지 구조 부품에 적합합니다.

5등급 및 23등급 시리즈 외에도 티타늄 합금 제품군에는 고강도 및 내구성을 갖춘 TC21(인장 강도 ≥1100 MPa), 고온 내성 TC11(500°C 이내 사용 가능), 그리고 상업용 순수 티타늄 TA1/Ti 2등급(우수한 내식성 및 성형성으로 화학 공학 및 일반 의료 분야 에서 널리 사용됨)이 포함됩니다. 모든 합금은 고강도, 고인성, 고내식성, 우수한 용접성 및 높은 생체 적합성에 대한 다양하고 엄격한 서비스 환경의 요구를 충족하기 위해 Al, V, Ru 및 성간 원소(O, N, C, Fe)와 같은 구성 원소의 함량을 정확하게 제어합니다.

특징

높은 강도 대 중량비, 높은 내식성, 그리고 우수한 생체적합성을 갖추고 있습니다. Ti-6Al-4V 티타늄 합금은 기계적, 내식성, 그리고 물리적 특성의 이상적인 균형을 제공합니다.

높은 강도 대 중량비: 티타늄 합금의 밀도는 4.43 g/cm³로 강철의 60%에 불과하지만, 비강도는 고강도 합금강과 동등하거나 그 이상입니다. 따라서 티타늄 합금 부품에 동일한 하중을 가했을 때 무게가 40% 이상 감소하는 놀라운 효과를 보입니다. 일반적으로 800~880 MPa에 달하는 항복 강도는 높은 응력에서도 연성 변형을 나타내며 , 취성 파괴로 인한 파손 가능성이 훨씬 낮습니다.

우수한 내식성: 불산, 아세트산, 포름산과 같은 공격적인 매질에서 매우 빠른 수동 이산화티타늄 박막이 표면에 부착되어 우수한 내식성을 갖추고 있어 화학적 용도와 수성 분위기에서 모두 사용할 수 있습니다.

높은 생체적합성: 티타늄 합금, 특히 23등급 ELI는 인체 조직에 민감성, 무독성, 비자성을 나타냅니다. 티타늄 합금의 탄성률은 인체 뼈와 매우 유사하여 응력 차폐를 상당히 최소화하고 골유착을 향상시킵니다. 표면 처리(예: 티타늄 질화물 코팅 )를 통해 내마모성과 생체 활성을 더욱 향상시킬 수 있으므로 인공 관절(고관절 및 슬관절), 골판, 골 나사, 치과 임플란트, 그리고 첨단 두개악안면 임플란트에 적합합니다. 세계 최초의 "3D 프린팅 경추체 전치환술"에 사용된 맞춤형 티타늄 합금 보철 임플란트는 해당 환자에게 8년 동안 사용 가능하고 높은 수준의 수명을 회복하여 높은 수준의 생체적합성과 장기적인 사용 가능성을 입증했습니다.

관련 프로세스: 티타늄 합금은 3D 프린팅의 경우 더욱 정확하고 효율적이어서 SLM , EBM, DED와 같은 맞춤형 구성요소를 설계할 가능성이 있습니다.

응용 분야: 뛰어난 특성 덕분에 티타늄 합금은 항공우주 스텐트, 엔진 부품, 의료 기기, 인공 관절 교체, 두개악안면 임플란트, 고성능 경주용 자동차, 스포츠 기기 등 다양한 고성능 응용 분야에서 주력 제품 으로 떠올랐습니다.

스테인리스 스틸: 내식성과 산업 응용 분야의 중추

316L(부식 방지), 17-4PH / 15-5PH(석출 경화), 304L, 420 등에 대한 자세한 설명입니다.

316L 스테인리스 스틸

316L 스테인리스 스틸 은 몰리브덴 함유 스테인리스 스틸로 304 스테인리스 스틸에 비해 부식에 더 강하므로 펄프 및 제지 제조 장비에 적합한 소재입니다. 316 스테인리스 스틸은 또한 혹독한 산업 및 해양 환경에도 견딥니다. 316L 스테인리스 스틸은 또한 316 스테인리스 스틸보다 탄화물 침전에 더 오래 견디므로 고온 응용 분야에 적합합니다. 316 스틸의 저탄소 합금인 316L은 316 스틸과 동일한 속성을 가지고 있지만 향상된 입계 부식 저항성을 가지고 있습니다. 이는 입계 부식 저항성이 중요한 매개변수인 316 스틸 응용 분야에서 특정 요구 사항입니다. 모든 형태의 스테인리스 스틸 중에서 316L과 17-4PH는 일반적으로 3D 프린팅의 황금 커플로 간주됩니다. 이러한 모든 형태의 스테인리스 스틸 중에서 내식성이 더 뛰어나고 생체 적합성이 향상된 316L은 의료 응용 분야에서 좋은 성능을 발휘합니다.

17-4PH / 15-5PH (침전 경화)

스테인리스 15-5 는 다양한 용도로 사용되는 마르텐사이트계 스테인리스강입니다. 다른 마르텐사이트계 스테인리스강보다 향상된 내식성과 횡방향 성능이 필요한 프로젝트에 적합합니다. 열처리 온도를 조절하여 각 프로젝트에 필요한 강도와 경도를 조절할 수 있습니다.

17-4PH는 석출 경화 마르텐사이트계 스테인리스강 합금 계열에 속하는 합금으로, 높은 경도와 강도, 그리고 최대 600°F(180°C)까지 적당한 내식성을 나타냅니다. 가공성이 우수하며, 900~1150°F(270~480°C)의 단일 어닐링을 통해 시효 경화될 수 있습니다. 이 합금은 석유 및 석유화학 공정 장비, 부속품, 하드웨어 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다.

304L 스테인리스 스틸

304L은 탄소 함량이 낮은 304 합금강입니다. 304L은 탄소 함량이 낮아 용접 중 유해한 탄화물 침전을 줄여줍니다. 따라서 304L은 열처리 없이 가혹한 부식 환경에서 " 용접 "할 수 있습니다. 이 등급의 기계적 특성은 표준 304 등급보다 약간 낮지만, 다재다능하기 때문에 널리 사용되고 있습니다. 304 스테인리스강과 마찬가지로 양조 및 와인 제조 산업에서 일반적으로 사용되지만, 화학 물질 저장 용기, 광산, 건축 등 비식품 산업에도 사용될 수 있습니다. 해수에 노출되는 너트나 볼트와 같은 금속 부품에 사용하기에 이상적입니다.

304L은 비용 경쟁력 덕분에 프로토타입 제작과 같은 비응용 용도에서 안정적인 수요를 누리고 있습니다. 420 등급 강은 최소 12%의 크롬 함량을 갖는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강입니다. 420 등급 강과 일반적인 스테인리스 강은 열처리를 통해 초기 상태에서 경화될 수 있습니다. 420 등급 강은 풀림 처리된 후 비교적 연성이 있으며 연마, 표면 연삭 또는 담금질 후 내식성이 뛰어납니다. 420 등급 강은 모든 유형의 정밀 기계, 베어링 유형 용도, 전기 장치, 계측기, 미터, 차량 운송, 주방 가전, 식품 서비스 및 스테인리스 스틸 의료 기기에 이상적입니다.

특성: 매우 높은 내식성, 뛰어난 기계적 특성, 고강도로 열처리 가능, 비교적 낮은 비용.

적용 공정: 고강도, 내식성, 고강도 열처리성, SLM, DED, 바인더 제팅과 같은 대량 생산되는 금속 3D 공정 과의 호환성 때문에 스테인리스 스틸은 3D 인쇄 금속 에 널리 알려져 있습니다.

적용 분야: 화학, 식품, 해양 산업 파이프 밸브, 의료 기기, 도구 또는 금형 부품, 건축 하드웨어 및 일반 기능 부품.

고온 합금: 극한 환경의 수호자

Inconel 718, Inconel 625, Hastelloy X, Haynes 282 등 니켈 및 코발트 기반 합금에 대한 광범위한 개요입니다.

인코넬 718

고성능 니켈 합금으로, 기본적으로 부식성 환경 및 고온 환경에서 사용됩니다. 고강도, 고온 저항성, 내식성, 그리고 최고 수준의 용접성 과 가공성을 제공합니다. 화학 조성에 니켈, 크롬, 철 및 기타 합금 함량이 높아 뛰어난 내열성과 내산화성을 제공합니다.

인코넬 625

니켈, 크롬, 몰리브덴, 그리고 미량의 티타늄과 알루미늄을 함유한 니켈 기반 합금 입니다. 우수한 내식성과 고온 특성을 보입니다. 내식성과 내산화성이 뛰어나 다양한 가혹한 환경에서 사용하기에 적합한 특성을 지닙니다.
하스텔로이 X는 철 함량이 높은 몰리브덴과 크롬 고온 합금으로 고용체 강화 합금입니다.

하스텔로이 X

이 제품은 산화 및 부식에 강하고, 고온(예: 900°C 이하)에서도 높은 크리프 강도와 인성을 가지고 있으며, 탄화 및 질화 분위기와 중성 및 환원 분위기에서도 강합니다.

Haynes 282 합금

이 합금은 고온 구조용, 특히 항공우주 분야의 지상 및 터빈 엔진 사용을 위해 특별히 개발된 고급 Y급 강화 초합금입니다. 상용 합금 에 비해 용접성, 열 안정성, 크리프 강도 및 가공성이 매우 우수합니다.

특성: 뛰어난 고온 강도, 높은 산화 방지성, 크리프 방지성, 내식성.

적용 가능한 프로세스: SLM, EBM, DED에 대한 전문 지식 보유

응용 분야: 항공기 엔진 응용 분야 , 고온 섹션 가스터빈 구성 요소(터빈 블레이드, 연소기), 로켓 엔진 구성 요소, 원자력 구성 요소, 고온로.

공구강 및 다이강: 내마모성 및 내구성

자세한 소개: H13(열간 가공), 마르에이징강 300/350(시효 경화), 18Ni300, M2(고속강), Toolox 33/44 등.

H13

H13은 합금 공구강이자 고속 가공강으로, 열간 단조, 알루미늄 합금 주조, 열간 압출 다이와 같은 고온 고압 다이에 주로 적용됩니다. H13은 높은 열간 강도, 적경도, 인성, 그리고 우수한 열 피로 저항성을 가지고 있어 고온 작업에서 매우 우수한 성능을 발휘합니다.

특성: 경도가 크고, 내마모성이 크며, 고온에 대한 저항성이 크다(열간가공강); 열처리 후 강도가 극히 높다( 마레이징강 ).

마르에이징강 300/350(시효경화)

시효경화강(Maraging Steel) 300/350은 저탄소 또는 자유탄소 마르텐사이트 기지로 구성된 고강도 강으로, 시효 경화 시 금속간 화합물의 석출을 통해 경도를 얻습니다. 기존 고강도 강처럼 탄소가 아닌 금속간 화합물의 석출 및 분산을 통해 경도를 얻기 때문에 여러 측면에서 기존 강과 다릅니다. 고강도, 고인성, 낮은 경화능, 우수한 성형성, 용이한 열처리, 시효 중 변형 없음, 우수한 용접성 등의 특징을 지닙니다.

18니켈300

이 합금은 Maraging 300 계열 합금으로, 고유한 조성과 품질을 가지고 있습니다. 주요 장점은 저온 시효 가공 시 변형을 최소화하여 정밀 부품의 치수 안정성을 확보하고, 냉간 가공 경화성이 낮아 복잡한 스탬핑 및 성형 에 적합하다는 것입니다. 미사일 포탄, 고출력 레이싱카 커넥팅 로드, 정밀 주조 금형 등에 사용됩니다.

M2(고속강)

이 강은 탄소, 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 바나듐을 주성분으로 하는 합금인 몰리브덴 기반의 고속 공구강 입니다. 내마모성, 내충격성, 내열성이 우수하여 절삭 공구 , 금형, 고강도 부품 제조에 활용될 수 있습니다. 탄화물의 분포 균일성이 높고 인성이 우수한 것이 이 강의 특징이지만, 과열되기 쉬우므로 엄격한 열처리 조건 관리가 필요합니다. 극한의 희토류 원소인 세륨을 첨가하여 미세 입자를 형성하고, 합금 편석을 줄이며, 고온 가공성과 가공성을 향상시킵니다.

툴록스 33/444

혁신적인 열처리 강재인 Toolox 33/44는 압연 공정에서 HRC 33(Toolox 33) 및 HRC 44(Toolox 44)로 사전 경화 처리되어 열처리 비용과 사이클 타임을 절감합니다. 높은 가공 효율, 더 빠른 직접 절삭 속도, 그리고 우수한 EDM 성능과 연마 성능을 갖추고 있어 연마 시간을 기존 강재의 3분의 1로 단축합니다. 호환되는 표면 처리는 내마모성을 더욱 최적화합니다. 대형 사이즈의 경우, 사출 금형, 자동차 스탬핑 다이, 로봇 고정구에 널리 사용되어 리드 타임을 단축합니다.

적용 가능한 프로세스: SLM, EBM, 특히 DED에 강점이 있습니다.

적용 분야: 사출/다이캐스팅 금형 인서트, 특히 적응형 냉각 채널이 있는 금형, 스탬핑/성형 다이, 절삭 공구 및 내마모성 부품.

귀금속 및 특수 합금: 고유한 요구 사항 충족

금, 은, 플래티넘

이들은 3D 인쇄에서 고유한 요구 사항을 충족하는 귀금속입니다.
보석: 보석은 표준 실온 및 상압에서 화학적으로 불활성이어야 하며, 물과 공기의 주요 성분에 대해 내식성을 가져야 합니다. 금의 화학적 안정성은 매우 우수합니다. 은은 금속성 외관이 희끄무레한 은으로, 쉽게 구할 수 있고 저렴하여 보석 재료로 선호되는 소재로 떠올랐습니다. 백금 (화이트 골드)은 금속성 외관이 희끄무레한 은으로, 연성이 매우 뛰어나고 부식성이 강한 강산과 강알칼리에 대한 내식성이 뛰어나며 녹는점이 매우 높습니다.

특수 전자 접점: 전자 마이크로 접점 에서 금은 아크 부식에 강하고 , 은은 전자 이동 억제에 강하며 , 백금은 고온에서 산화에 강합니다 . 이러한 귀금속은 항공우주 릴레이 접점과 핵자기공명영상(NMR) 장비의 백금 초전도체 커넥터에도 사용됩니다.

연구를 위한 생물의학 기기: 이식형 센서(금), 백금 항암제 방출 장치, 항균 은 표면.

구리 합금 (순구리, CuCrZr)

전기와 열의 전도성이 뛰어나 모터 부품, 방열판, 열교환기, 유도 코일 등에 사용됩니다. 코발트-크롬 합금(CoCrMo)은 내마모성이 매우 뛰어나고 생체 적합성이 뛰어나 치과 보철물과 일부 정형외과 임플란트에 사용되고 있습니다.

적절한 프로세스: SLM(특수 매개변수 필요), BJ(귀중한 금속), DED(구리).

자주 묻는 질문(FAQ)

1. 3D 프린팅된 금속 부품의 강도는 단조 부품과 비슷할까요?

네. 열처리 등 공정의 적절한 후처리 최적화를 통해 SLM이나 EBM과 같은 공정으로 생산된 금속 부품의 강도와 피로 특성이 기존 단조 부품과 동등하거나 심지어 그 이상을 달성할 수 있습니다.

2. 금속 3D 프린팅으로 기존 제조(예: 주조 및 CNC )를 완전히 대체할 수 있나요?

아직은 불가능합니다. 복잡한 형상, 단기 생산을 위한 맞춤 제작, 그리고 가공이 어려운 합금에 더 적합합니다. 그러나 일반적인 부품의 대량 생산은 기존 방식을 사용하면 비용이 덜 들고 더 빠르며, 두 공정은 상호 보완적입니다.

3. 3D 프린팅된 금속에 후처리가 필요합니까?

네, 극히 드문 예외를 제외하고 모든 금속 3D 프린팅 부품에는 후가공이 필요합니다. 금속 3D 프린팅과 관련된 일반적인 공정으로는 지지 구조 제거, 응력 제거, 열처리, 표면 마감(가공, 연마, 샌드블라스팅 ), 그리고 HIP(밀도 향상 및 기공 제거 목적)가 있습니다.

4. 금속 3D 프린팅은 재료 비용 때문에 비용이 더 많이 들까요?

일반적으로 제조 비용은 막대나 블록 금속보다 훨씬 높습니다. 금속 3D 프린트 비용에 무시할 수 없는 수준의 추가 비용이 발생하지만, 디자인의 자유로움과 재료 절감 효과 등을 종합적으로 고려하여 가격 대비 가치를 평가해야 합니다.

요약

금속 3D 프린팅 소재 라이브러리는 기존 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 스테인리스강, 고온 합금부터 희귀 공구강, 귀금속, 구리 합금에 이르기까지 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 각 소재는 강도, 경량성, 고온 성능, 내식성, 전기 전도성, 열 성능, 생체 적합성 등 다양한 특성을 결합하여 특정 첨단 응용 분야에 적합합니다. 혁신적인 기술을 통해 기존 공정으로는 불가능한 매우 복잡한 형상으로 효율적으로 가공하여 설계 변경, 프로토타입 제작, 고성능 부품 제작이 가능합니다.

획기적인 설계 제약, 경량화, 리드타임 단축, 또는 절삭이 어려운 소재 가공이 과제라면, 금속 3D 프린팅 과 소재 선택이 강력한 해결책이 될 수 있습니다. 소재의 특성과 응용 분야에 대한 심층적인 이해는 패러다임을 바꾸는 이 기술을 활용하여 차별화된 제품을 개발하고 제작하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 적합한 금속을 선택하면 무한한 적층 제조 역량을 확보할 수 있습니다!

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