금속 적층 제조란 무엇인가요? 방법, 응용 분야 및 재료

금속 적층 제조란 무엇인가요?

금속 3D 프린팅이라고도 하는 금속 적층 제조는 연속적인 재료 층을 추가하여 물체를 제작하는 첨단 제조 방식입니다. 이 방식은 레이저 또는 전자빔과 같은 에너지원을 사용하여 금속 분말 또는 와이어 형태를 서로 용융시켜 단단한 물체를 형성합니다. 따라서 이 기술을 사용하면 기존 제조 공정으로는 달성할 수 없거나 달성하기 어려운 복잡한 디자인을 개발할 수 있습니다.

금속 적층 제조는 독보적인 설계 자유도와 다양한 금속 사용 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 따라서 제조 산업의 성장에 없어서는 안 될 필수 요소로 자리 잡았으며, 효율성을 개선하고 폐기물을 줄이며 배출량을 줄이고 더 크고 가벼운 부품의 생산 속도를 높이는 데 도움이 됩니다. 항공우주, 자동차, 의료, 소비재 산업이 이 기술의 주요 수혜 분야로 꼽히고 있습니다.

금속 적층 제조의 방법

파우더 베드 방법

파우더 베드 방식은 얇은 금속 분말 층을 베드 표면에 펼치는 방식을 말합니다. 그런 다음 얇은 층이 레이저나 전자 방출과 같은 고에너지 소스에서 선택적으로 용융 및 융합되어 원하는 제품을 형성합니다. 이 기술은 복잡한 형상을 정밀하게 생성할 수 있는 탁월한 능력을 제공합니다.

방향성 에너지 증착(DED)

직접 에너지 증착에서는 재료가 히터에 의해 녹으면서 동시에 노즐을 통해 증착됩니다. 이 과정을 통해 층이 쌓여 단단한 물체가 만들어집니다. DED는 기존 부품을 수리하고 재료를 추가할 수 있기 때문에 다양한 산업 분야에서 유용합니다.

금속 바인더 제팅

금속 바인더 제팅은 분말 금속의 연속적인 층 위에 액체 바인더를 분사하여 입자 사이의 접착제로 사용합니다. 결과물은 변형 없이 모양을 유지하면서도 이전보다 더 견고하고 단단하게 만들기 위해 일반적으로 소결 또는 침투 공정과 같은 추가 처리가 필요합니다. 이 방법은 많은 애플리케이션, 특히 온도를 크게 올리지 않고 복잡한 부품을 제작해야 하는 대량 생산과 관련된 애플리케이션에 유용합니다.

다른 금속의 첨가제 제조 방법 비교

파우더 베드 방법

장점

파우더 베드 방식은 복잡한 모양을 만드는 데 가장 적합한 방법입니다. 이 방법은 매우 정확하고 필요한 파우더만 사용하므로 낭비를 줄일 수 있습니다. 개별 제품에 맞게 수정할 수 있으므로 다양한 금속과 합금에 적용할 수 있습니다.

단점

절차에 사용되는 원자재가 비싸기 때문에 필요한 모든 필수 도구를 구입하는 데 비용이 많이 듭니다. 생산 과정에서 생산량 제약이 있을 수 있을 뿐만 아니라 속도도 제한적입니다. 표면 처리는 가공 후 추가 마감이 필요할 수 있으며, 금속 분말로 작업할 때 엄격한 안전 지침이 있습니다.

바인더 제팅

장점

바인더 분사 시 가끔씩만 서포트가 필요하므로 폐기물 및 후처리 비용을 절감할 수 있습니다. 루스 파우더를 최대 99%까지 재활용하므로 비용 증가 없이 복잡한 디자인을 구현할 수 있습니다. 한 번의 인쇄로 여러 파트를 제작할 수 있어 시간을 절약하고 비용을 절감할 수 있습니다.

단점

그러나 바인더 분사에는 후처리를 위한 추가 장비가 필요하며, 자동화가 진행 중이긴 하지만 대부분의 인쇄 후 공정은 수작업으로 이루어집니다. 게다가 바인더 제팅 기계의 비용은 기존의 많은 제조 방식보다 높습니다.

직접 에너지 증착(DED)

장점

DED는 다른 금속 3D 프린팅 기술보다 제작 속도가 빠르며 폐기물이 적은 고밀도 부품을 제작할 수 있습니다. 중요한 부품을 생산하고 다양한 재료로 작업할 수 있습니다.

단점

단점은 DED는 빌드 해상도가 낮아 표면 마감이 거칠다는 점입니다. 기계가 상당히 비싸고 이 공정에서는 지지 구조가 허용되지 않으므로 특정 디자인 기능을 구현할 수 없습니다.

금속 적층 제조 재료

일반 금속 분말

금속 적층 제조에서 소재의 선택은 최종 제품의 특성에 큰 영향을 미칩니다. 일반적인 재료는 다음과 같습니다:

• 티타늄 및 티타늄 합금

높은 강도, 내식성 및 생체 적합성으로 항공우주, 자동차 및 의료용으로 이상적입니다.

• 스테인리스 스틸

강도, 내식성, 경제성의 균형.

• 알루미늄 및 알루미늄 합금

가볍고 전도성이 우수합니다.

• 니켈 기반 슈퍼 합금

고온 애플리케이션을 위한 뛰어난 내열성 및 내식성.

• 코발트-크롬 합금

의료 분야에서 자주 사용되는 고강도 및 생체 적합성.

• 귀금속

미적 품질과 내식성을 위해 보석류에 사용됩니다.

• 공구강

높은 경도와 내마모성으로 금형 및 절삭 공구 제작에 이상적입니다.

적층 가공의 귀금속

금, 은, 백금, 루테늄과 같은 귀금속은 다양한 응용 분야의 적층 제조에 사용됩니다:

• 실버

전도성이 높은 전기 접점 및 고용량 배터리.

• 골드

가단성과 변색에 강한 치과, 의약품, 전자제품에 사용됩니다.

• 플래티넘

밀도와 공기 및 물에 대한 내성을 갖춘 보석류, 수술 도구, 실험실 도구.

• 루테늄

산과 변색에 대한 내성으로 전자 및 화학 산업에 적합합니다.

금속 적층 제조의 산업 응용

항공우주 산업

항공우주 산업은 가볍고 내구성이 뛰어난 소재가 필요했기 때문에 금속 적층 제조를 가장 먼저 도입한 분야 중 하나입니다. 이 기술은 엔진 부품, 터빈 블레이드, 연료 시스템을 최적화합니다. 내부 결함 없이 복잡한 형상을 제작함으로써 항공우주 부품의 성능과 기능이 획기적으로 향상되어 항공기 경량화와 연료 소비량 감소로 이어졌습니다.

자동차 산업

금속 적층 제조는 자동차 산업에서 금속 프로토타이핑, 맞춤형 부품 및 툴링을 위해 사용됩니다. 자동차 제조업체는 이러한 혁신을 통해 즉시 테스트할 수 있는 새로운 디자인을 개발하여 개발 중 반복 주기를 단축할 수 있습니다. 또한 가볍지만 복잡한 솔리드 구조를 제작하면 차량의 효율성이 향상됩니다.

의료 산업

의료 분야에서는 금속 적층 제조를 통해 의료용 임플란트 및 수술 기구를 생산할 수 있습니다. 예를 들어, 이 기술은 개인의 해부학적 구조에 정확히 맞는 환자 맞춤형 임플란트를 제작하여 수술이나 사고로 인한 부상 후 환자의 치료 결과를 개선하고 회복 시간을 단축할 수 있습니다. 또한 섬세한 수술 도구를 제작할 수 있어 수술 중 정확성을 높일 수 있습니다.

에너지 산업

금속 적층 제조는 에너지 부문에서 에너지 시스템 부품을 만듭니다. 일반적으로 고강도 특성이 필요하고 열악한 환경 조건에 견딜 수 있어야 하는 이러한 부품을 만드는 데 도움이 되므로 적층 가공은 생산 요구 사항에 완벽한 방법입니다. 적층 제조를 통해 이러한 시스템 전반의 효율성과 신뢰성을 개선하는 복잡한 형상을 설계할 수 있습니다.

보석 및 소비재

주얼리 산업은 재료 낭비가 거의 없이 복잡한 디자인을 제작할 수 있는 금속 적층 제조를 통해 혁신을 이루었습니다. 이 기술을 통해 보석상은 기존 방식으로는 비실용적이거나 불가능한 복잡한 제품을 제작할 수 있습니다. 또한 소비재 생산업체는 AM을 사용하여 독특한 형상을 가진 제품을 맞춤 제작합니다.

연구 및 개발

연구 개발 분야(R&D)에서는 실험 중 신속한 프로토타입 제작을 위해 금속 적층 제조가 필요합니다. 따라서 연구자들은 이 기술 절차를 사용하여 새로운 디자인을 간단히 제작하고 테스트할 수 있으며, 이를 통해 혁신과 미지의 세계를 발견할 수 있습니다. 신속한 디자인 반복은 새로운 제품과 기술을 빠르게 개발하는 데 기여합니다.

금속 적층 제조의 장점

복잡한 도형 및 기하학

기존 방식으로는 만들기 어렵거나 불가능한 복잡한 모양과 형상을 만들 수 있다는 점은 금속 적층 제조(AM)의 가장 큰 장점 중 하나입니다. 이를 통해 내부에 빈 공간이 있거나 복잡한 디테일이 있는 부품을 설계할 수 있습니다.

체중 감소

다른 제조 방식과 달리 적층 제조를 사용하면 강도는 그대로 유지하면서 가벼운 부품을 만들 수 있습니다. 이러한 경량화를 도입한 분야로는 자동차 및 항공우주 분야가 있으며, 이 분야에서는 약간의 무게 감소만으로도 연료비를 크게 절감할 수 있습니다.

시간 및 비용 효율성

금속 적층 제조는 기존 공정에 비해 툴링과 2차 작업이 필요 없어 생산 비용과 리드 타임이 줄어들어 생산업체가 시장에 더 빨리 진입할 수 있습니다. 또한 재고가 없어 보관 비용도 절감됩니다.

환경적 이점

3D 프린팅은 특정 영역에 필요한 재료만 추가하기 때문에 기존의 감산 기술에 비해 폐기물 발생이 줄어듭니다. 따라서 재료 비용이 절감되고 환경 보호에 긍정적으로 기여합니다. 또한 사용하지 않은 파우더를 재활용하면 지속 가능성을 높이는 데 도움이 됩니다.

금속 적층 제조의 도전 과제

기술적 과제

금속 적층 제조 기술에는 가공이나 연마와 같은 추가 후처리가 필요하기 때문에 원하는 표면 마감과 목적에 맞는 높은 정밀도를 달성하는 등 여러 가지 기술적 과제가 있습니다.

경제적 제약

초기 투자 비용이 높기 때문에 대부분의 기업은 금속 3D 프린팅 기계를 설치하지 못합니다. 동시에 이러한 기계는 교육 요구 사항, 소모품, 유지 보수 등과 함께 비용이 많이 듭니다. 게다가 3D 프린팅에 사용되는 재료는 고가인 경향이 있어 원자재 낭비율이 높습니다.

규제 및 표준화 문제

금속 적층 제조 기술에는 표준화된 테스트 방법이나 품질 관리 지침이 필요하므로 특히 엄격한 요구 사항이 있는 항공 우주 및 의료 기기 분야에서 품질 보증은 어려운 과제입니다.

자주 묻는 질문

파우더 베드 융합의 종류는 무엇인가요?

선택적 레이저 소결(SLS)

선택적 레이저 소결은 레이저를 사용하여 분말 금속을 소결하고 이를 융합하여 견고한 구조, 정확성 및 효율성을 달성하는 것이 특징입니다.

직접 금속 레이저 소결(DMLS)

그러나 DMLS는 SLA와 비슷하지만 다양한 금속과 합금에 초점을 맞춰 프로토타입과 최종 사용 제품을 고정밀로 생성합니다.

선택적 레이저 용융(SLM)

또한 SLM은 금속 분말을 녹여 고강도와 내구성이 요구되는 애플리케이션을 위해 더 조밀하고 견고한 최종 제품을 만들어냅니다.

전자 빔 멜팅(EBM)

이 공정은 다른 적층 제조 기술과는 다릅니다. 진공 상태에서 레이저가 아닌 전자 빔을 사용하여 산화를 방지하므로 재료 특성이 뛰어난 복잡한 부품을 쉽게 만들 수 있습니다.

결론

금속 적층 제조는 설계의 자유, 효율성 향상, 환경 영향 감소 등 다양한 이점을 제공하는 혁신적인 기술입니다. 파우더 베드 융합, 지향성 에너지 증착, 바인더 분사 등 다양한 방법을 사용할 수 있으므로 제조업체는 특정 요구 사항에 가장 적합한 방식을 선택할 수 있습니다. 금속 적층 제조에 사용되는 다양한 재료 덕분에 다양한 특성과 용도의 부품을 제작할 수 있습니다.

금속 적층 제조가 계속 발전함에 따라 제조 산업에 혁명을 일으킬 준비가 되어 있습니다. 복잡하고 가벼운 고품질의 부품을 빠르고 비용 효율적으로 생산할 수 있는 능력은 여러 분야에서 금속 적층 제조의 도입을 촉진할 것입니다. 아직 과제가 남아 있지만, 지속적인 발전과 접근성 향상은 이러한 장애물을 극복하는 데 도움이 될 것이며, 금속 적층 제조는 향후 몇 년 동안 산업 혁신의 초석이 될 것입니다.