3D 프린팅된 티타늄의 특성에 대해 알아보세요.
1. 티타늄 금속의 이해
순수 티타늄은 일반적으로 엔지니어링 응용 분야에는 사용되지 않지만 무릎 및 고관절 임플란트와 같은 구성 요소의 생의학 시장에서는 일반적으로 사용됩니다. 특정 기계적 특성을 제공하는 제어된 금속 조성의 혼합물인 티타늄 기반 합금은 매우 특정한 부품 특성이 필요한 산업에서 널리 사용됩니다. 금속 재료 공급업체는 오랫동안 제조업체에 주조용 티타늄을 제공해 왔으며 이제는 쾌속 프로토타이핑 제조용으로 특별히 제조된 티타늄 분말도 제공하기 시작했습니다.
적층 가공용 티타늄
5등급 티타늄 6Al-4V는 적층 제조에서 가장 일반적으로 사용되는 티타늄 합금으로, 항공우주, 자동차, 군사 분야의 프로토타입 및 기능성 부품에 이상적인 소재입니다. 또한 복잡한 형상과 정밀성을 갖춘 부품 제조는 물론 생산 툴링에도 탁월한 소재입니다.
23등급 티타늄 6Al-4V는 의료용 임플란트 및 보철물에 일반적으로 사용되는 생체 적합성 합금입니다.
Beta 21S 등급 티타늄의 강도는 Ti-6Al-4V와 같은 기존 티타늄 합금보다 높으며 내산화성과 크리프 저항도 Ti{{3}와 같은 기존 티타늄 합금보다 우수합니다. }V-3Cr. 21등급 티타늄은 모든 티타늄 합금 중에서 수소 흡수 효율이 가장 낮습니다. 이는 정형외과 임플란트 및 항공우주 엔진 응용 분야에 이상적입니다. 베타티타늄은 치아교정에 널리 사용됩니다.
1등급 및 2등급 Cp-Ti(순수 티타늄)는 인체와의 생체 적합성으로 인해 의료 분야에서 널리 사용됩니다.
BT20은 알루미늄과 지르코늄 첨가제를 함유한 알파에 가까운 티타늄 합금입니다. BT20으로 만든 부품은 높은 비강도, 높은 하중 지지력 및 내열성을 갖추고 있어 항공기 및 엔진 제조의 중부하 부품에 사용할 수 있습니다.
2. 티타늄을 3D 프린팅하는 방법
티타늄 기반 합금을 가공하는 데 사용할 수 있는 금속 3D 프린팅 기술은 다양하지만 가장 일반적으로 사용되는 것은 티타늄 분말을 이용한 분말층 융합 공정(레이저 분말층 융합, 전자빔 분말층 융합)입니다.
컨설팅 회사인 Ampower의 보고서에 따르면 "대부분의 티타늄 AM 부품은 파우더 베드 기술을 사용하여 제조됩니다." 파우더 베드 융합 기술은 항공우주 및 경주용 경량 부품은 물론 의료용 임플란트를 생산하는 데 사용되는 반면 바인더 제트 기술은 일반적으로 다음과 같은 용도로 사용됩니다. 티타늄으로 더 작은 의료기기를 생산합니다."
3D 프린팅 티타늄의 특성
두 파우더 베드 공정 모두에서 가장 중요한 질문은 인쇄 공정 중에 재료의 미세 구조가 어떻게 전개되는지, 그리고 에너지 밀도와 전달된 열이 재료 격자와 어떻게 상호 작용하는지입니다. 이러한 상호 작용은 원자재에 전달되는 레이저 또는 전자 빔의 시간에 따른 온도 프로파일에 반영됩니다.
3D 프린팅은 티타늄 금속에 다면적이고 복잡한 열 처리 주기를 적용하여 재료의 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 프린터마다 다르고, 재료도 다양하며, 미세 조정 범위도 크기 때문에 이들 간의 추세와 관계를 파악하기 어려울 수 있습니다. 최근 이 분야에 대한 많은 연구가 있었고 대부분의 연구는 3D 프린팅된 티타늄 부품의 뛰어난 구조적 무결성을 지적합니다.
2021년 3월, 금속 3D 프린터 제조업체 MELD Manufacturing은 해당 공정에서 생산된 티타늄이 단조 재료 인쇄에 대한 ASTM 및 AMS 표준 요구 사항을 충족한다는 것을 확인하는 데이터를 발표했습니다.
이 데이터는 NCMS(National Center for Manufacturing Sciences), ARL(Army Research Laboratory) 및 AMMP(Advanced Manufacturing, Materials and Processes) 프로그램과 협력하여 Ti{0}}Al{1}을 사용하여 개발되었습니다. }V(Ti64) 재료(ASTM 5 레벨이라고도 함)가 테스트를 위해 생성되었습니다.
이 데이터는 인쇄된 재료의 모든 축(인쇄된 레이어를 통한 Z 방향 포함)의 항복 강도, 최대 인장 강도 및 신율이 ASTM 표준에서 지정한 최소 요구 사항을 초과한다는 것을 보여줍니다.
미국 FDA가 승인한 티타늄 기반 3D 프린팅 수술용 임플란트의 수는 의료 제조업체가 생산 능력에 적층 제조 기술을 점점 더 많이 채택함에 따라 계속 증가하고 있습니다.
