적층 가공용 분말 금속이란 무엇인가요?

오늘날의 제조 혁명에서 적층 제조용 금속 분말 는 기술 발전을 이끄는 핵심 동력이 되었습니다. 항공우주에서 의료 기기, 고성능 산업 부품에 이르기까지 금속 분말은 소재일 뿐만 아니라 혁신의 원천이기도 합니다. 기존 가공 방식에 비해 금속 분말과 적층 제조 기술을 결합하면 전례 없는 디자인 자유도, 재료 활용도 및 성능 제어 가능성을 제공합니다. 이 글에서는 금속 분말의 정의, 제조 방법, 원리부터 응용 분야, 소재부터 미래에 이르기까지 적층 제조에서 금속 분말이 수행하는 핵심 역할에 대한 인사이트를 제공합니다.

파우더 메탈이란 무엇인가요?

우리는 흔히 "분말 금속" 또는 보다 전문적인 용어인 "금속 분말"이라고 말하지만, 실제로는 매우 작은 금속 입자로 구성된 물질을 말합니다. 이러한 입자는 크기가 미크론 정도로 작아서 육안으로 거의 구분할 수 없습니다. 단단한 금속 조각을 모래보다 더 미세한 분말로 갈아낸다고 상상해 보세요. 분말 야금 공정의 초석이자 오늘날 우리가 이야기하는 적층 제조의 핵심 원료입니다.

이러한 익숙한 공정을 단조하는 전통적인 주조와 비교했을 때 분말 야금에는 고유한 장점이 있습니다. 예를 들어, 매우 복잡한 모양과 높은 정밀도가 요구되는 부품을 생산할 수 있으며 재료 활용률이 매우 높아 낭비를 크게 줄일 수 있습니다. 이는 의심할 여지없이 비용 관리와 지속 가능한 개발에 있어 큰 개선입니다.

금속 분말의 구성 및 분류

금속 분말에는 여러 종류가 있으며, 간단히 몇 가지 범주로 나눌 수 있습니다:

• 순수 금속 분말이러한 종류의 분말은 주로 일반적인 철 분말, 구리 분말, 알루미늄 분말 등과 같은 단일 순수 금속으로 구성됩니다. 이들은 각각 순수 금속의 고유한 특성을 유지하며 단일 금속 특성에 대한 특정 요구 사항이있는 응용 분야에 적합합니다.
• 분말 합금: 합금 분말은 두 가지 이상의 금속 원소를 특정 비율로 혼합하거나 융합하여 만듭니다. 다양한 금속 원소와 그 비율을 능숙하게 선택함으로써 고강도, 내식성, 고온 저항성 등 다양하고 우수한 특성을 가진 합금 분말을 제조할 수 있습니다. 합금 분말은 우리가 소재의 특성을 맞춤화할 수 있는 문을 열었다고 할 수 있습니다.
  • 사전 합금 분말과 혼합 분말 비교: 합금 분말 중에서도 전합금 분말과 혼합 분말로 구분합니다. 전합금 분말은 여러 원소를 융합하여 합금을 만든 다음 분말을 만드는 것이고, 혼합 분말은 서로 다른 순수 금속 분말을 비율에 따라 혼합하여 만드는 것입니다. 실제 응용 분야에서 사전 합금 분말의 특성은 일반적으로 더 안정적이고 균일합니다.

금속 분말이 중요한 이유

어떤 사람들은 왜 가루 금속이냐고 물을 수 있습니다. 이 질문은 그 독특한 관점에서부터 시작될 것입니다. 금속 분말이 적층 제조에서 없어서는 안 될 중요한 역할을 하는 핵심 이유는 금속 분말의 고유한 물리적, 화학적 특성 때문입니다:

1. 높은 비표면적: 입자가 작을수록 전체 표면적이 커집니다. 이렇게 하면 소결 과정에서 금속 분말이 확산되고 결합하여 밀도가 높은 부품을 형성하기가 더 쉬워집니다.
2. 자유로운 형태: 이것이 바로 적층 제조의 핵심 장점입니다. 파우더의 축적과 용융을 정밀하게 제어함으로써 기존 제조 공정으로는 불가능했던 복잡한 구조를 '프린팅'할 수 있습니다.
3. 소재 다양성: 순수 금속이든 다양한 고성능 합금이든 분말 형태의 적층 제조에 적용할 수 있어 선택할 수 있는 소재의 범위가 크게 넓어집니다.
4. 성능 제어 가능성: 입자 크기, 형태, 분말의 조성 및 후속 공정 파라미터를 조정하여 최종 부품의 미세 구조와 거시적 특성을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

제 생각에 금속 분말은 원자재일 뿐만 아니라 설계와 구현을 연결하는 다리이자 적층 제조 기술의 날개를 달아주는 역할을 합니다. 이 미세한 금속 입자가 없었다면 오늘날 우리가 보는 것은

고품질 금속 분말 생산

금속 분말의 주요 준비 방법

특히 적층 제조에 적합한 고품질 금속 분말을 만드는 것은 결코 간단한 작업이 아닙니다. 시중에는 고유한 원칙과 적용 가능한 시나리오를 가진 몇 가지 주요 방법이 있습니다.

• 원자화: 분무가 금속 분말의 적층 제조에 최적의 방법이라는 것은 의심의 여지가 없습니다. 용융 금속을 작은 물방울로 만든 다음 냉각 과정에서 분말로 응고시키는 간단한 아이디어가 핵심입니다.
  • 가스 분무: 제 생각에는 현재 가장 성숙하고 널리 사용되는 방법입니다. 원리는 고압 불활성 가스(예: 아르곤 또는 질소)를 사용하여 용융 금속 흐름에 고속으로 충격을 가하여 금속을 매우 작은 방울로 분산시키는 것입니다. 이 방울은 가스 속에서 빠르게 냉각되고 응고되어 결국 구형도가 매우 우수한 분말을 형성합니다. 가스 분무 분말의 장점은 분명합니다. 구형성이 우수하여 분말의 유동성이 우수하고 분말이 퍼질 때 균일하고 조밀한 분말 층을 형성 할 수 있으며 순도가 높고 불활성 분위기가 산화와 같은 불순물의 유입을 효과적으로 방지 할 수 있습니다. 다년간의 경험에 비추어 볼 때, SLM(선택적 레이저 용융)이든 EBM(전자빔 용융)이든 가스 분무 분말이 가장 먼저 선택됩니다. 안정성과 제어성이 인쇄 품질을 보장하는 핵심 요소이기 때문입니다.
  • 물 분무: 가스 분무와 달리 물 분무는 고압의 물줄기를 사용하여 용융 금속을 분해합니다. 이 방법은 일반적으로 불규칙한 모양의 분말을 생성합니다. 구형 분말만큼 유동적이지는 않지만 생산 비용이 상대적으로 저렴하고 높은 비표면적이나 특정 모양이 필요한 바인더 분사(바인더 제팅)와 같은 특정 응용 분야에서는 여전히 가치가 있습니다. 그러나 당사의 주류 SLM/EBM 공정의 경우 물 분무 분말로는 충분하지 않습니다.
• 전기 분해 방법: 이 방법은 주로 금속염이 포함된 용액을 전기분해하여 금속을 증착하는 방법입니다. 고순도 분말을 생산할 수 있지만 일반적으로 분말 모양이 불규칙하고 입자 크기가 거칠다. 제 생각에는 전기 분해는 전통적인 분말 야금 분야에서 그 자리를 차지하고 있지만 적층 제조에서의 적용은 상대적으로 제한적이며 일부 특수 합금 분말의 제조를 보완하는 데 더 가깝습니다.
• 감소 방법: 환원 방법은 주로 고온에서 환원제(예: 수소, 탄소)를 사용하여 금속 산화물을 금속 분말로 환원하는 것입니다. 이 방법으로 생산되는 분말은 일반적으로 스펀지 또는 불규칙하며 다공성이 높고 입자 크기 분포가 비교적 넓습니다. 적층 제조에서 환원 분말은 분말 형태와 유동성에 대한 엄격한 요구 사항을 충족하기 어렵기 때문에 주류를 이루지 않습니다.

분말 특성이 적층 제조에 미치는 영향

파우더의 품질에 따라 인쇄된 부품의 상한선이 결정됩니다.

• 파티클 모폴로지: : The 구형 분말 는 유동성이 뛰어나 파우더 확산 과정에서 균일하고 조밀한 파우더 층을 형성하여 공극과 결함을 줄일 수 있습니다. 이는 인쇄된 부품의 밀도 및 기계적 특성과 직접적인 관련이 있습니다. 불규칙한 파우더는 유동성을 크게 감소시켜 파우더가 고르지 않게 퍼지고, 심지어 파우더 공급 시스템을 막을 수 있으므로 이를 피하려고 노력합니다. 파우더의 벌크 밀도는 형태와도 밀접한 관련이 있습니다. 부피 밀도가 높을수록 같은 부피에 더 많은 금속을 수용할 수 있어 프린팅 효율과 부품 밀도를 개선하는 데 긍정적인 영향을 미칩니다.
• 입자 크기 분포: 입자 크기 분포는 인쇄 시 레이어 두께와 최종 부품의 표면 마감에 영향을 미칩니다. 너무 거친 파우더는 인쇄할 수 있는 최소 레이어 두께를 제한하고 디테일의 표현력에 영향을 줄 수 있습니다. 너무 미세한 파우더는 표면 마감에는 도움이 되지만 레이저 또는 전자 빔에 너무 미세한 파우더가 쉽게 튀어서 성형 안정성에 영향을 미칩니다. 따라서 최적화되고 좁은 입자 크기 분포는 파우더 확산의 균일성, 프린팅의 안정성 및 부품의 표면 품질을 고려할 수 있는 이상적인 상태입니다.
• 화학 성분 및 순도아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 분말의 화학 성분은 강도, 경도, 내식성 등 최종 부품의 재료 특성을 직접적으로 결정합니다. 구성에 약간의 편차만 있어도 부품 성능이 저하될 수 있습니다. 고순도 는 적층 제조의 경도를 나타내는 지표로, 불순물 요소, 특히 비금속 개재물이 부품 내부의 응력 집중 지점이 되어 균열을 유발하고 피로 수명에 심각한 영향을 미칩니다. 이것은 프로젝트에서 가장 자주 접하는 링크이며 엄격하게 제어해야 합니다.
• 산소 함량 제어특히 산소 함량을 언급하고 싶습니다. 제 생각에는요, 산소 함량 제어 은 적층 제조 금속 분말의 가장 중요한 특성 중 하나입니다. 금속 분말은 생산, 운송, 보관, 심지어 인쇄 과정에서 공기와 접촉하여 산화될 수 있습니다. 과도한 산소 함량은 파우더의 유동성을 감소시킬 뿐만 아니라 프린팅 과정에서 산화물 내포물을 형성하여 부품의 기계적 특성, 특히 가소성과 인성을 심각하게 약화시킵니다. 티타늄 합금과 같은 일부 활성 금속의 경우 산소 함량을 매우 낮은 수준으로 제어해야 합니다. 따라서 생산부터 사용까지 산소 함량을 모니터링하고 보호하는 것이 적층 제조 성공의 열쇠입니다.

적층 제조에서 특정 금속 분말의 역할

적층 제조의 세계에서 금속 분말은 의심할 여지 없이 핵심적인 '건축 자재'입니다. 우리는 일반적으로 "분말 강철" 또는 "강철 분말"이라고 말하지만, 실제로는 다양한 종류가 있으며 각각 고유한 특성과 용도가 있습니다.

다음에 대해 이야기해 보겠습니다. 스테인리스 스틸 파우더 먼저. 이것은 제 생각에 가장 널리 사용되는 파우더 중 하나입니다. 예를 들어 316L 스테인리스 스틸 파우더 은 내식성이 매우 우수하고 인쇄 부품의 정밀도가 높으며 표면 마감이 좋습니다. 따라서 항공 우주 분야, 내식성이 필요한 일부 구조 부품, 수술 기구 또는 일부 임플란트와 같은 의료 기기에서 316L은 우수한 성능을 발휘했습니다. 일반적으로 사용되는 또 다른 용도는 17-4PH 스테인리스 스틸 파우더, 열처리 후 높은 강도와 경도를 달성하면서도 어느 정도의 내식성을 유지할 수 있어 일부 고성능 부품에 자주 사용됩니다.

그 다음에는 공구강 분말. 금형이나 일부 마모 부품을 만들어야 할 때는 공구강 분말이 특히 중요합니다. 이러한 종류의 파우더 프린팅 부품은 경도가 높고 내마모성이 뛰어나 기존 제조 공정으로는 따라잡기 어렵습니다. 과거에 적층 제조를 통해 복잡한 구조의 사출 금형을 만드는 것이 얼마나 어려웠는지 상상해 보세요. 또한 고속 강철 분말. 스테인리스 스틸만큼 널리 사용되지는 않지만 절삭 공구 제조에서 여전히 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 고속 절삭 시 공구의 경도와 날카로움을 유지하고 가공 효율을 향상시킬 수 있습니다.

물론 이 외에도 각 분야에서 대체 불가한 역할을 하는 다른 주요 금속 분말이 있습니다:

• 티타늄 합금 분말: 생체 적합성, 고강도 및 경량성을 완벽하게 결합할 수 있는 소재가 있다면 티타늄 합금이어야 합니다. 정형 외과 임플란트, 치과 임플란트와 같은 의료용 임플란트에서는 티타늄 합금 분말이 첫 번째 선택입니다. 동시에 항공 우주 분야에서는 항공기의 무게를 줄이고 성능을 향상시키기 위해 경량 특성이 필수적입니다.
• 니켈 기반 초합금 분말: 극한의 고온 환경을 위해 특별히 설계된 소재입니다. 터빈 블레이드 및 연소실 부품과 같은 가스터빈 부품에서 니켈 기반 초합금 분말 프린팅 부품은 뛰어난 내식성을 유지하면서 극도로 높은 온도와 응력을 견딜 수 있습니다. 이는 엔진 효율과 수명을 개선하는 데 큰 의미가 있습니다.
• 알루미늄 합금 분말경량화는 현대 산업의 영원한 추구이며, 알루미늄 합금 분말은 의심할 여지없이 이 길에서 중요한 역할을 합니다. 자동차 및 항공우주 산업에서 알루미늄 합금 분말은 경량화 요구 사항이 높은 구조 부품에 뛰어난 설계 자유도를 제공합니다.

미래를 내다볼 때 적층 제조용 금속 분말의 개발 방향은 점점 더 다양해지고 있습니다. 우리는 복합 분말두 가지 이상의 소재의 장점을 결합하여 우수한 성능을 가진 소재를 만드는 기술입니다. 또한 기능성 그라데이션 소재 파우더 는 또한 부품의 여러 영역을 서로 다른 재료 특성으로 만들어 더 복잡하고 최적화된 기능을 구현할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

적층 제조 시대의 분말 야금학의 장점

적층 제조의 부상은 의심할 여지 없이 분말 야금이라는 전통적인 기술에 새로운 활력을 불어넣었습니다. 사실 적층 제조에 대해 이야기할 때는 분말 야금의 광범위한 범위에 대해 이야기하는 경우가 많습니다. 이 둘의 조합은 파괴적인 장점을 가지고 있습니다:

정확성과 복잡성:

이는 적층 제조의 가장 두드러진 특징 중 하나이며, 그 핵심 원동력은 금속 분말입니다. 주조, 단조, 기계 가공과 같은 전통적인 제조 공정은 복잡한 내부 구조, 생체 공학 형상 또는 미세 채널을 가진 부품을 제조하기에 부적절하거나 심지어 불가능한 경우가 많습니다. 하지만 적층 제조를 사용하면 3D 모델의 모든 픽셀을 정확하게 인쇄할 수 있습니다.

항공우주 분야에서 가볍고 고성능이 요구되는 구조 부품이나 의료 분야에서 인체와 완벽하게 밀착되어야 하는 임플란트를 상상해 보세요. 분말 야금과 적층 제조의 결합으로 이러한 부품의 설계 자유도는 무한히 확대됩니다. 과거에는 거의 불가능했던 내부에 복잡한 냉각 채널이 있는 터빈 블레이드를 성공적으로 프린팅한 적이 있습니다.

높은 자료 활용도:

기존의 감산 제조는 특히 비싸거나 가공하기 어려운 재료를 가공할 때 많은 양의 칩과 스크랩이 발생하고 재료 비용이 급격히 상승할 수 있습니다. 반면 적층 제조는 재료를 추가하는 방식으로, 기본 원리는 필요에 따라 분말을 녹이거나 소결하는 것이므로 재료 낭비를 크게 줄일 수 있습니다.

사용하지 않은 금속 분말은 일반적으로 재활용할 수 있으므로 생산 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 지속 가능한 개발을 추구하는 현재의 글로벌 트렌드에도 부합합니다. 니켈 기반 초합금이나 티타늄 합금과 같이 본질적으로 비싼 재료의 경우 재료 활용도가 높다는 이점이 더욱 두드러집니다.

성능 최적화:

 금속 분말의 조성, 입자 크기 분포, 적층 제조 시 공정 파라미터(레이저 출력, 스캐닝 속도, 층 두께 등)를 정밀하게 제어함으로써 기존 방식으로는 달성하기 어려운 고유한 특성을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 적층 제조 부품의 입자 구조를 미세하게 제어할 수 있으며, 때로는 독특한 비평형 상태 구조를 형성하여 재료의 강도, 인성 또는 내식성을 향상시킬 수 있습니다.

 일반적인 예는 이방성입니다. 기존의 단조 또는 압연 부품은 방향에 따라 다른 기계적 특성, 즉 뚜렷한 이방성을 갖는 경향이 있습니다. 반면 적층 제조는 층별로 적층하여 공정을 적절히 제어하면 이러한 이방성을 효과적으로 줄이거나 제거할 수 있으므로 부품이 모든 방향에서 균일하고 우수한 성능을 발휘할 수 있습니다. 이러한 균일성은 복잡한 응력 환경에서 작동하는 핵심 부품에 필수적입니다.

비용 효율성:

비용과 관련하여 적층 제조는 반드시 비싸다는 오해가 많습니다. 실제로 개당 비용이 기존 대량 생산 부품보다 높을 수 있습니다. 하지만 분말 야금과 적층 가공을 결합한 분말 야금 기술은 소량 생산, 맞춤 제작 또는 매우 복잡한 부품 생산이 필요한 시나리오에서 탁월한 경제성을 입증했습니다.

우선, 기존의 많은 금형 제조, 설비 투자, 제품 개발 주기를 단축할 필요가 없습니다. 둘째, 설계의 자유도가 높기 때문에 여러 기능을 하나의 부품에 통합하여 조립 링크를 줄이고 총 비용을 더욱 절감할 수 있습니다. 적층 제조는 수명이 짧고 교체 주기가 빠른 부품이나 신속한 반복 최적화가 필요한 프로토타입에 가장 적합한 선택입니다.

신소재 개발:

분말 야금학은 새로운 합금 소재 개발을 위한 광범위하고 효율적인 플랫폼을 제공합니다. 다양한 조성의 분말을 혼합하거나 가스 분무 방식으로 특수한 조성과 미세 구조를 가진 합금 분말을 제조한 다음 적층 제조 기술을 사용하여 성능을 신속하게 검증할 수 있습니다.

이러한 빠른 시행착오 능력은 재료 과학의 발전을 크게 가속화했습니다. 예를 들어 전통적인 주조 방식으로는 구현하기 어려운 고엔트로피 합금이나 그라데이션 조성 분포가 필요한 기능성 소재는 적층 제조 기술을 통해 쉽게 구현할 수 있습니다. 단순히 기존 소재를 만드는 것이 아니라 미래의 소재를 만드는 것입니다.

결론:

일반적으로 적층 제조용 금속 분말 는 제조 소재일 뿐만 아니라 현대 산업 혁신의 핵심 원동력이기도 합니다. 복잡한 구조 설계, 경량화, 고성능, 맞춤형 제조를 실현합니다. 스테인리스강에서 티타늄 합금, 항공우주에서 의료용 임플란트에 이르기까지 금속 분말은 이전에는 볼 수 없었던 방식으로 제품 설계 및 생산의 논리를 바꾸고 있습니다. 분쇄 기술, 분말 순도 제어 및 적층 제조 공정의 지속적인 발전으로 금속 분말의 잠재력은 계속 발휘되고 있습니다. 앞으로도 제조 산업이 더욱 효율적이고 스마트하며 지속 가능한 방향으로 발전하도록 이끌며 4차 산업혁명 시대를 위한 견고한 '재료 기반'을 제공할 것입니다."