티타늄 합금 3D 프린팅 서비스

티타늄 합금, 특히 Ti6Al4V(5등급)는 뛰어난 특성으로 널리 알려져 있어 적층 제조라고도 하는 3D 프린팅에 선호되는 소재입니다. 주로 티타늄(88-90%), 알루미늄(5.5-6.5%), 바나듐(3.5-4.5%)으로 구성된 Ti6Al4V는 고강도, 저밀도 및 우수한 내식성을 제공합니다. 밀도는 4.41g/cm³강철보다 훨씬 가볍기 때문에 우주선 무게를 1kg 줄이면 발사 비용을 약 20% 절감할 수 있는 항공 우주와 같이 모든 그램이 중요한 응용 분야에서 상당한 무게 절감 효과를 제공합니다. $20,000. 핵심 3D 프린팅 기술인 선택적 레이저 용융(SLM)은 일반적으로 복잡한 형상과 고정밀도를 가진 Ti6Al4V 부품을 생산하는 데 사용됩니다. 이 가이드에서는 티타늄 합금 3D 프린팅의 특성, 제조 공정 및 응용 분야를 살펴보고, 항공우주, 의료, 자동차 등의 산업에서 Ti6Al4V와 그 역할에 중점을 두고 설명합니다. 자세한 매개변수, 기술적 인사이트 및 업계 고려 사항을 통해 이 고급 제조 기술에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

3D 프린팅에서 Ti6Al4V의 특성

TC4라고도 알려진 Ti6Al4V는 5등급 티타늄 합금 기계적, 열적, 화학적 특성의 균형 잡힌 조합으로 인해 3D 프린팅에 널리 사용됩니다. 이 소재의 구성과 미세 구조는 강도, 경량 설계, 열악한 환경에서의 내구성이 요구되는 까다로운 응용 분야에 적합합니다.

기계적 강도

Ti6Al4V는 인장 강도가 다음과 같이 우수한 중량 대비 강도 비율을 나타냅니다. 900-1100 MPa 의 항복 강도와 800-1000 MPa. 비강도(강도 대 밀도 비율)가 다른 금속보다 우수하여 항공우주 및 자동차 분야의 구조 부품에 이상적입니다. 이 합금은 다음 온도까지 기계적 특성을 유지합니다. 400°C터빈 엔진과 같은 고온 환경에서도 안정성을 보장합니다.

저밀도

밀도가 4.41g/cm³Ti6Al4V는 스테인리스 스틸보다 약 60% 더 가볍습니다(예: 316L의 경우 7.8g/cm³). 이러한 낮은 밀도는 무게 감소가 연료 효율과 탑재 용량에 직접적인 영향을 미치는 항공우주 분야에서 매우 중요합니다. 예를 들어 1kg 우주선 무게 감소는 다음과 같이 추정되는 상당한 비용 절감으로 이어질 수 있습니다. $20,000 실행당.

내식성 및 내산화성

Ti6Al4V는 부식 및 산화에 대한 높은 내성을 제공하여 환경적 열화를 방지하는 안정적인 산화물 층을 형성합니다. 산, 바닷물, 고온 가스에 대한 노출을 견디며 부식 속도가 다음과 같이 낮습니다. 0.01mm/년 해양 환경에서. 이 속성은 화학 처리, 해양 및 의료 산업의 애플리케이션에 필수적입니다.

고온 성능

합금의 고온 내성은 다음 조건에서 안정적으로 작동합니다. 300-400°C를 사용하여 강도나 크리프 저항의 저하를 최소화합니다. 낮은 열팽창 계수(8.6 µm/m-K)는 열 순환 시 치수 안정성을 보장하여 터빈 블레이드 및 배기 시스템과 같은 항공우주 부품에 적합합니다.

생체 적합성

Ti6Al4V는 생체 적합성이 뛰어나 인체 조직과의 호환성 및 체액에 대한 저항성이 우수합니다. 이러한 특성은 강도 및 내식성과 결합되어 고관절 교체 및 치과용 픽스처와 같은 의료용 임플란트에 선호되는 재료로, 최대 멸균 기능이 다음과 같습니다. 120°C.

티타늄 합금 3D 프린팅을 위한 선택적 레이저 용융(SLM)

선택적 레이저 용융 (SLM)은 복잡한 고정밀 부품을 생산할 수 있기 때문에 Ti6Al4V에 널리 사용되는 분말 베드 융합 3D 프린팅 프로세스입니다. SLM은 고출력 레이저를 사용하여 티타늄 합금 분말을 한 층씩 녹여 단조 소재와 비슷한 기계적 특성을 가진 완전 밀도 부품을 만듭니다.

SLM 프로세스 개요

SLM에서는 다음과 같은 출력을 가진 레이저를 사용합니다. 200-400 W 는 일반적으로 다음과 같은 입자 크기의 Ti6Al4V 분말 층을 스캔합니다. 15-45 µm. 각 레이어의 두께는 20-50 µm를 녹이고 고형화하여 부품을 점진적으로 제작합니다. 이 공정은 산화를 방지하기 위해 불활성 아르곤 분위기에서 진행되며 산소 수준을 다음과 같이 유지합니다. 0.1%. 빌드 챔버는 최대 다음과 같은 부품 크기를 수용합니다. 300 x 300 x 350mm를 클릭합니다.

프로세스 매개변수

Ti6Al4V의 주요 SLM 파라미터는 다음과 같습니다:

• 레이저 파워: 200-400 W를 사용하여 용융 효율과 열 스트레스의 균형을 맞춥니다.
• 스캔 속도: 700-1500 mm/s를 사용하여 빌드 시간과 표면 마감에 영향을 줍니다.
• 해치 간격: 50-100 µm를 사용하여 겹침과 밀도를 결정합니다.
• 레이어 두께: 20-50 µm해상도 및 빌드 속도에 영향을 미칩니다.

최적화된 파라미터로 다음과 같은 부품 밀도를 달성합니다. 99.7-99.9%표면 거칠기 Ra 5-15 µm 인쇄된 그대로, 축소 가능 Ra 0.8-1.6 µm 후처리 기능을 제공합니다.

포스트 프로세싱

SLM으로 프린트한 Ti6Al4V 부품은 물성을 향상시키기 위해 후처리가 필요합니다:

• 열처리: 스트레스 해소 어닐링 650-800°C 에 대한 1-2시간 잔류 스트레스를 줄입니다.
• 표면 마감: 연마 또는 가공으로 다음과 같은 마감을 얻을 수 있습니다. Ra 0.8 µm.
• 열간 등방성 프레싱(HIP): At 900-950°C 그리고 100-150 MPaHIP는 내부 공극을 제거하여 다음과 같은 방법으로 피로 수명을 개선합니다. 20-30%.

후처리를 통해 부품이 다음과 같은 공차를 충족하도록 보장합니다. ±0.05-0.1 mm 중요한 애플리케이션을 위한 기계적 요구 사항.

티타늄 합금 3D 프린팅의 장점

Ti6Al4V의 특성과 SLM의 기능은 3D 프린팅에서 상당한 이점을 제공하여 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 설계와 성능 향상을 가능하게 합니다.

복잡한 지오메트리

SLM을 사용하면 기존 제조 방식으로는 구현할 수 없었던 격자 구조나 내부 채널과 같은 복잡한 형상을 만들 수 있습니다. 예를 들어 다음과 같은 항공우주 부품은 0.5-2 mm 격자 벽은 다음과 같이 무게를 줄입니다. 20-40% 힘을 유지하면서.

재료 효율성

3D 프린팅은 필요한 Ti6Al4V 파우더만 사용하여 재료 낭비를 최소화합니다. 파우더 재활용률은 다음과 같습니다. 95%티타늄의 높은 가격을 고려할 때 비용을 절감합니다(약 $200-400/kg). 이러한 효율성은 항공 우주와 같이 비용에 민감한 애플리케이션에 매우 중요합니다.

신속한 프로토타이핑 및 생산

SLM을 사용하면 신속한 프로토타이핑과 소량 생산이 가능하며, 빌드 시간은 다음과 같습니다. 12-48시간 최대 부품의 경우 300mm 크기입니다. 설계에서 완제품까지의 리드 타임은 일반적으로 다음과 같습니다. 5~10일를 사용하여 개발 주기를 단축할 수 있습니다.

Ti6Al4V 3D 프린팅의 응용 분야

Ti6Al4V의 특성과 SLM의 유연성으로 인해 여러 산업 분야의 고성능 애플리케이션에 다용도로 사용할 수 있는 소재입니다.

항공우주

항공우주 분야에서 Ti6Al4V는 브라켓, 터빈 블레이드, 연료 노즐과 같은 경량 구조 부품에 사용됩니다. SLM 프린팅 부품은 다음과 같은 중량 감소를 달성합니다. 20-50% 토폴로지 최적화를 통해 다음과 같은 인장 강도를 제공합니다. 900-1100 MPa. 예를 들어 500 g 브래킷을 저장할 수 있습니다. $10,000 출시 비용을 절감할 수 있습니다. 합금의 고온 성능은 최대 400°C 엔진 구성 요소의 신뢰성을 보장합니다.

의료

Ti6Al4V는 생체 적합성이 뛰어나 고관절 및 무릎 교체, 척추 케이지, 치과 임플란트와 같은 의료용 임플란트에 이상적입니다. SLM은 다공성 구조(다공성)로 환자 맞춤형 디자인을 가능하게 합니다. 50-80%)를 사용하여 뼈 통합을 촉진합니다. 임플란트는 다음과 같은 피로 강도를 달성합니다. 500-600 MPa 체액에 대한 내식성.

자동차

자동차에서 Ti6Al4V는 서스펜션 부품 및 배기 시스템과 같은 고성능 부품에 사용됩니다. SLM 프린팅 부품은 다음과 같이 차량 무게를 줄여줍니다. 10-20%연비를 개선합니다. 합금의 강도와 내식성은 열악한 환경에서도 내구성을 보장하며, 부품의 성능은 다음과 같이 유지됩니다. 300°C.

화학 및 원자력 산업

Ti6Al4V의 내식성으로 인해 밸브 및 열교환기와 같은 화학 처리 장비에 적합하며 부식 속도는 다음과 같습니다. 0.01mm/년. 원자력 응용 분야에서 방사선 및 고온에서의 안정성은 원자로 구성 요소를 지원하며, 크리프 저항은 최대 400°C.

티타늄 합금 3D 프린팅의 과제와 솔루션

이러한 장점에도 불구하고 Ti6Al4V 3D 프린팅은 품질과 효율성을 보장하기 위한 전문 솔루션이 필요한 과제에 직면해 있습니다.

높은 재료비

Ti6Al4V 분말은 비싸다($200-400/kg), 생산 비용이 증가합니다. 솔루션에는 분말 재활용(95% 재사용) 및 설계 최적화를 통해 자재 사용을 최소화하여 다음과 같이 비용을 절감합니다. 10-20%.

열 스트레스 및 결함

SLM의 빠른 용융과 냉각은 잔류 응력을 유발하여 균열이나 뒤틀림을 일으킬 수 있습니다. 스트레스 완화 어닐링 650-800°C 최적화된 스캔 전략(예: 체스판 패턴)은 다음과 같은 방법으로 스트레스를 줄여줍니다. 30-50%. HIP는 공극을 더욱 제거하여 부품 밀도를 다음과 같이 향상시킵니다. 99.9%.

표면 거칠기

인쇄된 표면의 거칠기는 다음과 같습니다. Ra 5-15 µm일부 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. CNC 가공 또는 화학적 연마와 같은 후처리는 다음을 달성합니다. Ra 0.8-1.6 µm항공우주 및 의료 기준을 충족합니다.

티타늄 합금 3D 프린팅의 미래 트렌드

티타늄 합금 3D 프린팅의 발전은 기술, 재료 및 공정의 개선에 힘입어 산업 전반에 걸쳐 그 잠재력을 확장하고 있습니다.

향상된 SLM 시스템

여러 레이저를 갖춘 새로운 SLM 장비(예, 4 x 400W) 및 더 큰 빌드 볼륨(500 x 500 x 500mm) 처리량을 다음과 같이 증가시킵니다. 50-100%. 고급 모니터링 시스템은 다음과 같은 방법으로 부품 품질을 보장하여 결함을 줄입니다. 20%.

새로운 티타늄 합금

의료용 임플란트의 연성 및 내피로성을 향상시키는 Ti6Al4V ELI(엑스트라 로우 인터스티셜)와 같은 합금에 대한 연구는 최대 연신율을 제공합니다. 15%. 인장 강도 이상을 목표로 하는 항공 우주 응용 분야용 고강도 합금도 등장하고 있습니다. 1200 MPa.

하이브리드 제조

하이브리드 시스템에서 SLM과 CNC 가공을 결합하면 현장 정삭이 가능하여 다음과 같은 공차를 달성할 수 있습니다. ±0.02 mm 및 마감 Ra 0.4 µm. 이 접근 방식은 다음과 같이 리드 타임을 단축합니다. 20-30% 부품 품질을 향상시킵니다.

FAQ: 티타늄 합금 3D 프린팅

티타늄 합금 3D 프린팅, 특히 Ti6Al4V 및 SLM 기술은 가볍고 강도가 높으며 복잡한 부품을 제작할 수 있게 함으로써 제조업을 혁신하고 있습니다. 항공우주, 의료, 자동차 및 기타 산업에서의 응용 분야는 그 다재다능함을 강조하며, SLM 시스템, 합금 및 하이브리드 제조의 지속적인 발전은 더 큰 성장을 약속합니다. 티타늄 3D 프린팅은 비용 및 표면 품질과 같은 문제를 해결함으로써 고성능 엔지니어링의 혁신을 지속적으로 주도하고 있습니다.