3D 프린팅 파우더: 무엇이며 어떻게 사용되나요?

3D 프린팅은 1940년대에 머레이 레인스터가 적층 제조(AM)의 상업적 명칭으로 처음 언급했습니다. 3D 프린팅은 전 세계 제조 시장의 1% 미만에 불과하지만, 기존 제조에 비해 장점이 많아 3D 프린팅 시장은 3년마다 거의 두 배씩 성장하고 있습니다. 전 세계 3D 프린팅 시장은 2022년부터 2030년까지 매년 20.8% 성장할 것으로 예상됩니다[1]. 3D 프린팅은 의료, 자동차, 항공우주, 방위산업 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용되고 있으며, 향후 가장 인기 있는 제조 방법 중 하나가 될 것입니다.

3D 프린팅은 크게 7가지 부문으로 나뉩니다: 광중합, 재료 분사, 재료 압출, 바인더 분사, 파우더 베드 융합, 시트 적층, 지향성 에너지 증착입니다. 마지막 4개 부문은 모두 3D 프린팅 파우더를 공급 원료로 사용합니다.

3D 프린팅 파우더란 무엇인가요?

3D 프린팅 파우더는 3D 프린팅에 사용되는 분말을 말합니다. 일반적으로 금속, 합금, 세라믹 또는 폴리머로 만들어집니다.

3D 프린팅 파우더는 모양에 따라 구형과 불규칙형의 두 가지 그룹으로 나눌 수 있습니다. 구형 3D 프린팅 파우더는 더 나은 유동성을 보여줍니다. 즉, 구형 3D 프린팅 파우더는 더 고르게 퍼지고 균일한 층을 만들어 더 강력한 부품을 만들 수 있습니다. 그러나 동시에 구형 3D 프린팅 파우더는 불규칙한 파우더보다 더 비쌉니다.

3D 프린팅 파우더는 어떻게 생산되나요?

대부분의 실험에서는 물 분무와 가스 분무를 포함한 분무 방식으로 3D 프린팅 파우더를 제조합니다.

물 분무(WA)

분무는 용광로에서 공급 원료 합금/금속(모든 형태가 허용됨)을 녹이는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 용융 액체가 균일하게 분포되도록 일정 시간 동안 기다립니다. 그런 다음 유속을 제어할 수 있는 내화 노즐이 있는 도가니로 액체를 옮깁니다. 노즐을 열고 액체가 분무 챔버로 들어가도록 합니다. 액체는 자유롭게 떨어지고 고속 워터 제트에 의해 냉각, 분무, 응집됩니다. 마지막으로 챔버 바닥에서 분말을 모을 수 있습니다. 나중에 필요한 또 다른 단계는 분말을 건조하는 것입니다.

물 분무로 생성된 파우더는 일반적으로 불규칙하며 3D 프린팅에 사용되지 않습니다.

가스 분무(GA)

가스 분무는 분무 과정을 제외하면 물 분무와 유사합니다. 고압 가스 흐름(일반적으로 불활성 가스)을 사용하여 분말을 원자화합니다. 가스의 비열 용량이 물보다 작기 때문입니다. 물방울이 냉각되고 응집되는 데 더 많은 시간이 걸립니다. 결과적으로 가스 분무로 생성되는 분말은 더 구형이 됩니다. 그러나 분말의 직경은 잘 제어하기 어렵고 0~500μm 범위입니다. 모든 공정에서 불활성 가스를 사용하더라도 용융 액체를 용광로에서 도가니로 옮기거나 다른 단계에서 오염이 발생할 수 있습니다.

전극 유도 용융 가스 분무(EIGA)

전극 유도 용융 가스 분무(EIGA)는 가스 분무에 기반하여 개발되었습니다. 용융 금속 액체를 덮기 위해 도가니를 사용하는 대신, EIGA는 유도 열로 녹는 회전하는 금속 막대를 원료로 사용합니다. 용융봉은 분무 챔버로 직접 떨어질 수 있습니다.

EIGA는 더 작은 입자 범위의 분말을 생산할 수 있으며 점차적으로 Ti-6Al-4V와 같은 활성 합금 분말을 생산하는 주요 방법이 되고 있습니다.

플라즈마 원자화(PA)

플라즈마 분무(PA)는 플라즈마를 열원으로 사용하여 분말 또는 와이어 형태여야 하는 공급 원료를 녹입니다. 공급 원료가 플라즈마를 토치하면 불활성 가스 제트에 의해 동시에 용융되고 분무됩니다. 다음 단계는 가스 분무와 동일합니다.

플라즈마 분무는 더 구형이고 작은 크기의 분말을 생산할 수 있습니다.

표 1은 위에서 언급한 4가지 분무 방법을 요약한 것입니다.

3D 프린팅 파우더는 어떻게 사용되나요?

3D 프린팅 파우더는 주로 파우더 베드 융합 및 바인더 제팅과 같은 파우더 베드 기반 3D 프린팅 기술에 사용됩니다. 이러한 기술의 핵심 원리는 3D 프린팅 파우더를 사용하여 부품을 레이어별로 제작하는 것입니다. 이러한 레이어별 공정을 통해 기존 기술에 비해 더 복잡하고 맞춤형 제품을 만들 수 있습니다.

롤러/리코터는 전달 시스템에서 분말(일반적으로 구형 티타늄 분말과 같은 금속 또는 폴리머 구형 분말)을 가져와 베이스 플레이트에 균일하게 얇은 층을 펼칩니다. 그런 다음 레이저 빔이 파우더를 선택적으로 융합합니다. 얇은 층이 생성되면 빌드 플랫폼은 층의 거리만큼 아래로 이동하고 전달 시스템은 층의 거리만큼 위로 이동하여 반복되는 단계를 계속합니다. 이를 파우더 베드 퓨전이라고 합니다.

또 다른 기술은 바인더를 사용하여 파우더를 결합합니다. 다른 공정도 파우더 베드 융합과 매우 유사합니다. 이를 바인더 분사라고 합니다.

파우더는 얇은 층을 형성하기 위해 플레이트에 퍼지는 공급 원료입니다. 보다 견고하고 세밀한 구성 요소를 얻으려면 분말의 매개 변수가 매우 중요합니다. 불규칙한 분말은 균일하고 고밀도(다공성이 낮은) 층을 형성할 수 없으며, 3D 프린팅 도중 충돌이 발생하더라도 저밀도 부품으로 이어질 수 있습니다. 구형 파우더는 성능이 더 좋지만 비용도 더 많이 듭니다. 입자가 작은 파우더는 더 얇은 층을 형성할 수 있으므로 동일한 두꺼운 층을 만들기 위해 더 많은 파우더가 소비됩니다. 입자가 큰 파우더로 만든 레이어보다 더 미세하고 섬세한 레이어를 만들 수 있습니다. 20μm보다 작은 파우더를 사용할 때는 매우 쉽게 굳어 불균일한 층을 형성할 수 있으므로 주의해야 합니다. 이러한 종류의 파우더에는 특별한 기술이 필요합니다.

자세한 내용은 Stanford Advanced Materials 홈페이지를 참조하세요.

참고

1. 3D 프린팅 시장 규모 및 점유율 보고서, 2022-2030. (nd). 검색된 날짜: 2022년 12월 7일, https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/3d-printing-industry-analysis