금속 3D 프린터를 이용한 티타늄 합금 프린팅 | 레이저/전자빔의 차이점과 활용 설명

3D 프린터를 사용하여 티타늄 합금을 제작하는 기술은 항공우주 및 의료기기 산업 등 여러 분야에서 활용되어 왔습니다. 3D 프린팅은 기존 제조 방법으로는 생산하기 어려운 복잡한 기하학적 형상을 생산할 수 있기 때문에 주목을 받고 있습니다.

이 칼럼에서는 티타늄 합금 3D 프린팅에 대한 기본 지식, LB-PBF와 EB-PBF의 차이점, 활용 사례를 이해하기 쉽게 설명하겠습니다.

※LB-PBF：레이저 빔 파우더 베드 퓨전
※EB-PBF：전자빔 분말층 융합

금속 3D 프린터에 티타늄 합금을 사용하는 이유는 무엇입니까?

티타늄 합금은 '가볍고 강하다'는 기본적인 특성 외에도, 3D 프린터와의 뛰어난 호환성으로 인해 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 3D 프린터는 설계에 있어 높은 자유도를 제공합니다.

경량성과 고강도 | 티타늄 합금 특성과 3D 프린팅의 호환성

티타늄 합금은 "가볍고" "강한" 금속으로 알려져 있으며, 3D 프린팅에 적합한 소재로 주목을 받고 있습니다. 순수 티타늄조차도 강철보다 약 40% 가볍지만 높은 강도를 가지고 있으며, 티타늄 합금은 그보다 더 높은 특성을 보입니다.

또한, 해수 및 염수에 대한 내식성, 고온에 대한 내열성, 그리고 가혹한 조건에서도 안정적으로 사용할 수 있는 높은 내구성을 갖추고 있습니다. 3D 프린터를 활용하면 내부에 중공이나 격자 구조를 가진 제품을 설계하여 강도를 유지하면서도 무게를 줄일 수 있습니다. 3D 프린터는 항공기 부품, 인공 관절, 경주용 차량, 자전거 프레임 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

금속 3D 프린터로 티타늄 합금 인쇄[LB-PBF와 EB-PBF의 차이점]

이 섹션에서는 티타늄 합금의 3D 프린팅에 사용되는 두 가지 일반적인 프린팅 방법인 "LB-PBF"와 "EB-PBF"를 설명하고, 각각의 장점과 과제에 대해 설명합니다.

레이저 기반 LB-PBF의 특징과 과제

LB-PBF(Laser Beam Powder Bed Fusion)는 금속 분말을 분말 베드에 레이저 빔을 조사하여 용융시킨 후, 이를 층층이 반복하여 3차원 구조를 형성하는 방식입니다. 레이저 빔은 매우 미세하고 제어가 용이하여 미세 형상과 고정밀이 요구되는 부품의 인쇄에 적합합니다. 특히 정밀 기계 부품과 같이 치수 정확도가 요구되는 제품에 많이 사용됩니다.

그러나 몇 가지 문제가 있습니다. 인쇄 공정 중 반복적인 급속 가열과 급속 냉각은 잔류 응력을 유발하여 균열이나 뒤틀림을 유발할 수 있습니다. 따라서 인쇄 후 처리 및 신중한 설계 고려가 필요합니다. 또한, 고온 환경에서 빠르게 산화되는 티타늄 합금을 취급하려면 정교한 가스 관리가 필요하며, 이는 채택에 또 다른 걸림돌이 됩니다.

정확성이 최우선인 경우 이 방법이 강력한 옵션이지만, 인쇄 속도와 안정성 측면에서 다른 방법과 비교하고 고려하는 것이 중요합니다.

전자빔 기반 EB-PBF의 특징 및 장점

전자빔 분말 베드 융합(EB-PBF)은 전자빔을 사용하여 금속 분말을 용융 및 응고시킨 후, 이를 층층이 반복하여 3차원 구조를 형성하는 인쇄 기술입니다. 이 방법은 모든 공정이 진공 환경에서 수행되므로 산화를 줄이면서 고품질 마감을 얻을 수 있는 것이 특징입니다. 이 방법의 장점은 진공 환경에서 인쇄하기 때문에 티타늄 합금이 산화되기 어렵기 때문에 안정적인 부품 품질을 제공한다는 것입니다. 또한, 용융 전에 분말 표면 전체를 예열함으로써 인쇄 중 온도 차이를 줄여 잔류 응력을 거의 또는 전혀 발생시키지 않습니다. 이는 균열 및 뒤틀림과 같은 문제를 방지하고 부품 결함 발생을 줄입니다. 또한, EB-PBF 인쇄 부품은 부품의 잔류 응력을 제거하기 위한 열처리가 필요하지 않아 필요한 제조 작업 횟수를 줄입니다.

EB-PBF는 인쇄 속도가 빠르며, 대형 및 두꺼운 벽의 부품 인쇄에 적합합니다. 인공 관절 및 항공기 구조 부품에 대한 사용이 점차 증가하고 있습니다. 그러나 LB-PBF와 비교했을 때, 경우에 따라 매우 미세한 형상의 부품 인쇄에는 적합하지 않습니다.

일반적으로 EB-PBF는 안정성과 생산성이 중요한 제조업체에 가장 적합한 선택입니다.

LB-PBF와 EB-PBF의 비교(열원/소재/정확도/비용)

LB-PBF와 EB-PBF는 모두 분말 재료를 사용하는 인쇄 방식입니다. 그러나 열원, 환경, 인쇄 결과에 있어 명확한 차이가 있습니다.

EB-PBF 인쇄 방식은 인쇄 안정성, 속도, 낮은 산화 위험 측면에서 우수합니다. 특히, 이 기술의 도입은 대형 부품과 고품질이 요구되는 산업에 큰 이점을 제공합니다. 용도와 목적에 따라 방식을 선택하면 정확도와 수율을 향상시킬 수 있습니다.

티타늄 합금의 3D 프린팅 사례

티타늄 합금의 3D 프린팅은 정밀성과 경량화가 요구되는 분야에 활용됩니다. 의료 및 항공우주 분야에서 일반적으로 활용되는 몇 가지 사례를 소개합니다.

의료 분야(고관절/척추 케이지/임플란트)

의료기기 분야에서는 티타늄 합금 3D 프린팅 기술을 활용하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 제품을 제작합니다. 예를 들어, 인공 고관절의 경우, 뼈의 모양과 움직임에 맞춰 맞춤형 임플란트를 제작하여 착용감과 내구성을 향상시킬 수 있습니다.

3D 프린팅을 통해 척추를 지지하는 척추 케이지(spinal cage)를 설계할 수 있으며, 이 케이지는 뼈와 쉽게 결합되는 내부 메시 구조를 가지고 있습니다. 임플란트 분야에서도 환자의 골격 데이터를 기반으로 임플란트를 미리 설계하여 크기와 형태를 최적화한 제품을 제작할 수 있습니다.

맞춤형 임플란트를 사용하면 기존 제품에 비해 착용감과 안정성이 향상되어 수술 후 회복과 부담이 줄어듭니다.

신제품은 기존 제품에서는 달성하기 어려웠던 높은 수준의 적합성과 안전성을 제공하며, 수술 후 회복 시간을 단축하고 환자 결과를 개선합니다.

항공 우주 산업

항공우주 산업에서 티타늄 합금의 3D 프린팅은 경량화와 높은 내구성이 요구되는 매우 적합한 기술로 확장되었습니다. 예를 들어, 터빈 블레이드는 최대한 가벼워야 하는 동시에 고온/고압의 가혹한 환경에서도 내구성이 있어야 합니다.

3D 프린팅을 사용하면 부품 내부에 중공과 격자 구조를 설계하여 필요한 강도를 확보하는 동시에 불필요한 무게를 줄일 수 있습니다.

또한 항공기 제조업체는 여러 부품 설계를 하나의 부품 설계로 병합하여 부품을 통합하기 위해 티타늄 합금의 3D 프린팅을 사용합니다. 이는 기존 제조 방법으로는 어려운 작업으로, 제조 비용과 필요한 재고를 줄이는 데 도움이 됩니다.

이처럼 티타늄 합금을 활용한 3D 프린팅 기술은 제품 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 부품 경량화 및 제조 수율 측면에서도 부가가치를 창출합니다.

티타늄 합금 3D 프린팅 시 고려해야 할 사항

티타늄 합금의 3D 프린팅의 경우 재료 가격, 프린터 비용, 아웃소싱 가능 여부 등 미리 고려해야 할 몇 가지 사항이 있습니다.

티타늄 합금 분말의 가격 및 시장 분포 추세

티타늄 합금의 3D 프린팅에는 전용 금속 분말이 사용됩니다. 하지만 일반적으로 재료비가 높습니다. 특히 구형의 고순도 분말이 필요하여 다른 금속 재료보다 비용이 높은 경향이 있습니다. 하지만 인쇄된 제품을 둘러싼 대부분의 금속 분말은 회수하여 인쇄에 재사용할 수 있으므로, 기존 가공 방식에 비해 재료의 낭비를 줄일 수 있습니다.

공급 체계에도 주의를 기울여야 합니다. 티타늄 합금 분말은 특수 생산 시설에서 생산되기 때문에 유통량이 제한적입니다. 시장의 수급 균형과 국제 정세에 따라 가격 변동이 클 수 있습니다. 이러한 상황에서 안정적인 조달 경로 확보 또한 중요한 고려 사항입니다.

3D 프린터 초기 설치 비용 및 유지 관리 비용

티타늄 합금용 3D 프린터는 고성능 부품을 생산하지만, 프린터 자체도 비쌉니다.

설치 후에는 자재비와 정기적인 유지관리 비용, 전담 작업자의 자원 비용, 안전 대책을 위한 시설 투자 등이 필요할 것입니다.

또한, 인쇄 후 후처리 및 품질 검사에 필요한 공정 유지 관리 비용도 높습니다. 설비뿐만 아니라 전체 제조 공정을 평가하여 설계하는 것이 필요합니다. 프린터 설치 후 다양한 비용을 예측하고 사전에 준비함으로써 일관된 운영을 달성할 수 있습니다.

아웃소싱 및 계약 서비스 이용 시 주의 사항

초기 투자 위험을 줄이기 위해 일부 기업은 아웃소싱 및 계약 인쇄 서비스를 활용할 수 있습니다. 이는 짧은 리드타임으로 프로토타입을 제작하고 소량 생산으로 검증하는 데 있어 외부 전문 서비스를 활용하는 효과적인 방법입니다.

하지만 아웃소싱은 특별한 주의가 필요합니다. 예를 들어, 회사 기밀과 관련된 설계 데이터 처리, 원하는 재료 및 정확도 요구 사항 등은 일부 3D 프린팅 계약 공급업체에서 제대로 처리하지 못할 수 있으므로 사전 확인이 필요합니다. 또한, 설계부터 제조까지 통합적인 운영이 필요한 제품의 경우 아웃소싱이 어려울 수 있습니다.

따라서 아웃소싱은 구현 초기 단계에서만 옵션으로 활용되지만, 향후 자체 생산을 계획하여 장기적으로 활용하는 것이 가능합니다.

전자빔법을 이용한 티타늄 합금 인쇄 공정 [JAM-5200EBM 예시]

여기에서는 JAM-5200EBM을 예로 들어 전자빔 방식(EB-PBF)에 의한 티타늄 합금의 인쇄 흐름, 즉 인쇄 단계, 프린터 구성 및 인증에 대해 소개합니다.

EB-PBF 방식에 따른 인쇄 단계

먼저, 전용 소프트웨어에서 3D 설계 데이터를 수집하고, 슬라이스 데이터, 빔 조사 조건, 지지 구조 등을 지정하는 프린팅 데이터를 준비합니다. 그 후, 프린터 내부를 진공화하고 전자빔으로 베이스 플레이트 전체를 예열합니다.

그런 다음, 다음 단계가 반복됩니다.

1. 바닥판을 한 겹 낮춥니다.
2. 금속 분말을 균일하게 분산(파우더베드)
3. 파우더 베드 전체를 예열합니다.
4. 인쇄할 영역에 전자빔을 조사하여 금속 분말을 녹이고 응고시킵니다.
5. 파우더 베드 전체를 다시 예열합니다.

이러한 과정을 반복하면 설계 데이터를 기반으로 한 3D 구조가 층층이 형성됩니다.

프린팅이 완료되면, 빌드 탱크는 베이스 플레이트와 함께 냉각됩니다. 그런 다음 3D 프린터의 배기가스를 제거하고 분말이 일시적으로 소결된 분말 케이크를 꺼냅니다.

또한 주변의 소결 분말은 PRS(분말 회수 시스템)에 의해 제거되고, 내부에 인쇄된 부분은 회수됩니다.

EB-PBF 방식은 분말층 전체를 한꺼번에 광범위하게 예열할 수 있기 때문에 인쇄 시 분말의 흩어짐과 금속의 변형을 줄일 수 있는데, 이는 EB-PBF 방식의 특징입니다.

전자빔 시스템의 구성 및 공정 설계

JAM-5200EBM은 여러 가지 복잡한 기술로 구성되어 있습니다. 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 전자빔 생성/제어: 전자원(음극, 자기장 렌즈, 편향 코일)
• 금속 분말 공급: 분말 호퍼, 재코터, 분말 일정 공급 장치
• 인쇄: 진공 챔버, 빌드 탱크
• 빌드 표면의 온도를 일정하게 유지하려면: 방열판
• 빌드 테이블을 위아래로 이동하려면: Z축 드라이브
• 인쇄 후 파우더를 모으기 위해: 파우더 회수 상자

음극에서 방출된 전자빔은 고전압으로 가속되어 자기장 렌즈에 의해 빔으로 집속됩니다. 이후, 빔은 편향 코일에 의해 원하는 위치로 고속 이동되어 목표 지점에 조사됩니다.

이러한 빔 제어는 3D 프린터의 자동 빔 보정 기능을 통해 지원됩니다. 보정을 통해 전체 프린팅 영역의 초점 조정 및 수차 보정이 수행되어 전자 빔이 최적의 상태를 유지합니다.

또한, 공정 설계 단계에서는 소프트웨어가 로딩된 3D 데이터를 기반으로 단면 형상을 분석하고, 거친 단면과 미세 단면을 자동으로 판별합니다. 용융 조건과 스캐닝 전략이 이에 따라 자동으로 설정되어 인쇄 정확도와 속도를 모두 향상시킵니다.

높은 정확도/높은 신뢰성이 요구되는 현장 취급(AMS 인증)

JAM-5200EBM은 항공기 및 의료 장비와 같이 높은 정확도와 신뢰성이 요구되는 분야에서 사용하도록 설계되었습니다. 이러한 요건을 충족하는 JAM-5200EBM의 특징 중 하나는 "AMS 인증(SAE 항공우주 재료 표준)"을 준수한다는 것입니다.

이는 자동차 기술자 협회(SAE)가 개발한 국제 표준으로, 항공기, 우주선, 방위 시스템에 대한 재료의 구성, 특성, 제조 공정 및 품질 요구 사항을 정의합니다.

항공기 엔진 부품이나 신체에 이식된 의료용 임플란트 등 생명이 위협받는 상황에서는 모양에 약간의 오차나 특성의 변화가 큰 문제로 이어질 수 있습니다.

JAM-5200EBM은 AMS7011을 준수하는 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)을 인쇄할 수 있으며, AMS7032를 충족하는 품질을 달성한 것으로 확인되었습니다. 따라서 JAM-5200EBM은 항공기 부품 및 의료용 임플란트와 같이 품질 관리가 엄격한 생산 시설을 지원하는 중요한 기술로 자리매김할 것으로 기대됩니다.

Ti64에 대한 후방산란 전자 모니터링 [JAM-5200EBM의 예]

JEOL은 전자현미경 제조업체만이 제공할 수 있는 BSE(Back-Scattered Electron) 모니터링 기능을 개발 중입니다. 전자빔에서 방출되는 BSE(Back-Scattered Electron)를 포집하여 용융 표면의 요철을 현장에서 관찰할 수 있습니다.

레이저 빔으로는 검출할 수 없는 후방 산란 전자를 검출할 수 있는 전자현미경 기술은 인쇄물의 품질 관리에 활용됩니다. 이 기능은 Ti64 분말을 전자빔으로 용융하고, 동일한 전자빔을 용융된 표면에 다시 조사하여 BSE 이미지를 획득하고, 단면 이미지를 기반으로 부품의 내부 결함 및 변형을 자동으로 검출합니다. 인쇄 중 현장 관찰을 통해 인쇄물의 품질을 보증할 수 있습니다. 현재 BSE는 Ti64 소재에 대해서만 내부 결함을 검출할 수 있지만, 향후 다른 소재에도 적용할 계획입니다.

맺음말

티타늄 합금은 가볍고 강도가 뛰어나 의료 기기 및 항공우주 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 최근 3D 프린터를 이용한 티타늄 합금 프린팅 기술이 발전하면서 복잡한 형상과 가벼운 구조물을 제작할 수 있게 되었습니다.

한편, 3D 프린터 도입 시에는 프린팅 방식, 장비 선택, 재료비 등 고려해야 할 몇 가지 사항이 있습니다. 레이저 방식(LB-PBF)과 전자빔 방식(EB-PBF)의 차이점과 적용 사례에 대해 논의하여 귀사에 가장 적합한 도입 방식을 결정하고 싶으시면 언제든지 문의해 주세요.

관련 상품