파우더 베드 퓨전(PBF) 적층 제조는 가장 빠르게 성장하고 가장 널리 사용되는 금속 3D 프린팅 기술입니다. 높은 성형 정확도, 우수한 기계적 특성, 복잡한 부품, 그리고 높은 성형 효율과 같은 장점을 제공합니다. 파우더 베드 퓨전 적층 제조에 일반적으로 사용되는 금속 3D 프린팅 파우더에는 티타늄 합금, 니켈 기반 합금, 철 기반 합금, 코발트-크롬 합금, 알루미늄 합금, 구리 합금, 그리고 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 니오븀과 같은 내화 금속이 포함됩니다.
금속 분말은 원료로서 최종 제품의 품질을 크게 좌우합니다. 분말의 청결도, 형태, 그리고 입자 크기 분포는 부품의 성형 성능에 영향을 미치는 핵심 요소입니다.
분말 청결도
3D 프린팅용 금속 분말의 화학적 조성은 금속 원소와 불순물로 구성됩니다. 일반적인 금속 원소로는 Fe, Ti, Ni, Al, Cu, Co, Cr, 그리고 Ag와 Au와 같은 귀금속이 있습니다. 불순물은 주로 Si, Mn, C, S, P, O 등과 같은 금속 화합물 또는 비금속 성분으로 구성되며, 환원철에 존재하는 다른 물질들도 포함됩니다. SiO₂, Al₂O₃, 규산염, 불용성 금속 탄화물, 그리고 기타 산에 불용성인 물질과 같은 기계적 개재물이 원료 및 분말 생산 공정 중에 유입될 수 있습니다. 또한, 산소, 수증기, 그리고 기타 기체가 분말 표면에 흡착될 수 있습니다.
레이저 또는 전자빔이 분말을 스캔할 때 불순물이 모재와 반응하여 모재의 특성을 변화시키고 3D 프린팅 부품의 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한, 내포물은 분말의 불균일한 용융을 유발하여 최종 부품에 내부 결함을 초래할 수 있습니다. 특히 기계적 내포물은 부품의 인성, 특히 충격 인성을 크게 저하시킵니다. 비금속 내포물의 분포와 형태 또한 성형 부품에 다양한 영향을 미칩니다.
산소 함량이 높은 경우, 고온에서 모재의 산화로 인해 치밀한 산화막이 형성되어 성능에 영향을 미치고 구형화로 이어져 부품의 밀도와 성형 품질을 저하시킬 수 있습니다. 강철에 함유된 탄소, 인, 황, 산소, 질소와 같은 원소는 특히 인성에 해롭습니다. 따라서 적층 제조 공정 및 최종 부품의 성능 요건을 충족하기 위해 분말의 불순물 함량과 개재물을 엄격하게 관리해야 합니다.
분말 형태학
그만큼 형태 분말의 밀도와 유동성은 분말 공급 과정과 부품의 최종 성능에 영향을 미치며, 이는 분말의 겉보기 밀도와 유동성에 직접적인 영향을 미칩니다.
파우더 베드 퓨전 적층 제조에서 파우더 분산 메커니즘은 파우더 입자가 성형 영역에 고르게 분포되도록 합니다. 균일하고 평평한 파우더 베드를 얻으려면 우수한 유동성이 필수적입니다. 구형 또는 구형에 가까운 파우더는 우수한 유동성, 높은 겉보기 밀도, 그리고 균일한 구조를 제공하여 파우더 베드 퓨전 적층 제조에 선호되는 원료입니다.
그러나 구형 및 거의 구형인 분말에 중공 또는 위성 분말이 존재하는 경우, 최종 부품의 성능이 저하됩니다. 중공 분말은 입자 크기가 70µm를 초과하는 분말에서 더 흔하게 발생하며, 성형된 부품에서 제거하기 어려운 기공과 같은 결함을 유발합니다. 위성 분말은 유동성을 감소시키고 분말의 균일한 축적을 방해합니다. 이러한 과정은 연속적인 분말 층이 퍼지는 과정에서 발생하여 부품 결함을 초래합니다. 따라서 분말 베드 융합 적층 제조용 금속 분말은 중공 및 위성 분말의 비율을 최소화해야 합니다.
분말 입자 크기 분포
분말 입도 분포는 분말 시스템 내 다양한 크기의 입자의 구성과 변화를 나타냅니다. 이는 분말 입자 특성을 설명하는 중요한 매개변수입니다. 입자 크기는 적층 제조 공정에서 분말 적층 품질, 성형 속도, 정확도 및 조직의 균일성에 직접적인 영향을 미칩니다. 공정마다 필요한 분말 입자 크기가 다릅니다. 레이저 선택적 용융 기술(SLM)은 15~45µm 크기의 분말을 사용하는 반면, 전자빔 선택적 용융 기술(SEBM)은 45~106µm 크기의 분말을 사용합니다.
열역학적 및 동역학적 관점에서, 작은 분말 입자는 더 큰 표면적을 가져 소결 추진력을 증가시킵니다. 작은 입자는 부품 형성에 도움이 됩니다. 그러나 지나치게 미세한 분말은 유동성을 감소시키고, 밀도를 낮추며, 전기 전도도를 감소시키고, 인쇄 중 구형화를 유발합니다. 거친 분말은 소결 활성을 저하시키고, 분말 확산 균일성을 저해하며, 성형 정확도를 저하시킵니다. 따라서 거친 분말과 미세 분말의 균형을 맞추는 것은 겉보기 밀도와 유동성을 개선하여 분말 베드 융합 적층 제조에 필수적입니다.
연구에 따르면 입자 크기 분포가 넓을수록 도포 시 분말층 밀도가 향상됩니다. 작은 입자는 큰 입자 사이의 틈을 메워 밀도를 향상시킵니다.
분말 응집력
레이저 분말 베드 융합(PBF)에서는 금속 분말 층이 레이저에 의해 분산되고 용융됩니다. 분말의 응집력은 분산 균일성과 성형 품질에 영향을 미칩니다. 응집력은 입자 크기 및 형태와 함께 핵심 요소입니다. 제약 및 식품 산업에서 분말 응집력이 유동성에 미치는 영향은 잘 연구되어 왔습니다. 응집력은 기계적 하중, 입자 상호작용력, 흡착된 수분에 의한 모세관 현상 등의 요인에 의해 영향을 받습니다. 이러한 요인들은 유동성에 영향을 미치고, 이는 분산에 영향을 미칩니다.
입자 크기, 형태 및 표면 특성의 변화는 퍼짐 및 성형 품질에 영향을 미칩니다. 적절한 크기 분포, 높은 구형도, 그리고 낮은 응집력은 벌크 밀도와 퍼짐 품질을 향상시킵니다. 이는 기공 및 미융착 결함을 감소시켜 최종 부품의 밀도와 품질을 향상시킵니다.
적층 제조를 위한 금속 분말 산업의 현재 상태
중국은 분말야금용 금속 분말 연구개발 및 산업화 분야에서 상당한 진전을 이루었습니다. 하지만 해외 국가들에 비해 뒤처져 있습니다. 핵심 기술과 장비는 주로 독일, 미국, 영국과 같은 국가들이 장악하고 있습니다. Carpenter와 GE(미국), LPW, Sandvik, GKN(영국), Höganäs(스웨덴)와 같은 기업들은 적층 제조용 티타늄 합금 분말 특허 60% 이상을 보유하고 있습니다. 일부 국가는 티타늄 합금과 같은 구형 금속 분말의 수출을 제한하여 원자재 가격을 상승시키고 공급 주기를 연장하고 있습니다. 이는 중국의 분말야금 및 금속 적층 제조 산업 발전을 저해하고 있습니다.
이 문제를 해결하기 위해 중국은 독자적인 지식재산권을 보유한 금속 합금 시스템(예: 티타늄 합금)을 개발해야 합니다. 고품질 구형 분말 생산의 핵심 과제를 해결하면 비용을 절감하고 생산량을 늘리며 항공우주 및 바이오의학 산업에 도움이 될 것입니다.
에픽 파우더 머시너리
에픽 파우더 머시너리 적층 제조 및 기타 산업을 위한 첨단 분말 가공 장비 분야의 선도적인 공급업체입니다. 혁신과 품질에 중점을 두고 분말 특성 최적화, 금속 3D 프린팅 공정 성능 향상, 그리고 고객의 특정 요구 사항 충족을 위한 최첨단 솔루션을 제공합니다. 적층 제조용 금속 분말을 생산하든, 다른 응용 분야를 위한 분말 특성을 정제하든, 에픽 파우더 분말 기반 산업에서 성공을 이끄는 안정적이고 고성능의 장비를 제공하기 위해 최선을 다하고 있습니다.