레시피별 재료: 3D 프린팅의 유연성과 재료 다양성을 높이기 위한 파우더 키트

2022년 7월 25일

마르티나 올레(Martina Ohle), 프라운호퍼 협회

분말 기반 레이저 빔 용융(LPPF)은 아마도 가장 잘 알려진 AM 공정이며 산업 응용 분야에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 하지만 이 공정에 사용되는 제한된 범위의 재료를 어떻게 우회하고 시장 잠재력을 더욱 확대할 수 있습니까? 이 질문은 AiF가 자금을 지원하는 "LPBF 파우더 키트" 프로젝트에서 RWTH Aachen University의 IWM과 Fraunhofer IFAM에 의해 해결되었습니다. 그 결과, 사용자가 소량의 금속 분말 선택으로 원하는 재료 특성을 커버하고 합금을 유연하게 조정할 수 있도록 금속 분말 혼합물의 개별적이고 견고한 처리를 위한 지속 가능한 솔루션이 개발되었습니다.

3D 프린팅은 구성 요소의 구성 및 생산에 있어 최대한의 설계 자유를 허용합니다. 이러한 장점으로 인해 3D 프린팅 기술은 자동차, 항공우주 등 기술 분야에서 확고히 자리 잡았습니다. 그러나 다양한 적용 분야에는 가능한 최상의 설계 형상뿐만 아니라 최적화된 재료 특성도 필요합니다. 이를 위해서는 적절하게 적용된 재료가 필요합니다. 그러나 적층 제조용 재료에 대한 연구는 아직 초기 단계입니다. 지금까지 장비 제조업체가 공정에 대해 인증한 재료는 업계의 다양한 적층 제조 공정을 확립하기 위해 주로 가공되었습니다. 이러한 재료 범위는 다소 작으며 대부분 용융 야금을 통해 생산되는 기존 재료와 다양성 측면에서 비교할 수 없습니다. 기존의 절삭 가공 공정에는 각각의 특정 응용 분야에 대해 수백 가지의 다양한 강철, 알루미늄 합금, 내마모성 코발트-크롬 합금 등이 있습니다. 3D 프린팅에서는 모든 금속 재료에 대한 선택이 30개 미만의 재료로 제한되므로 모든 요구 사항을 충족할 수는 없습니다.

예를 들어 탄소, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 티타늄 카바이드가 포함되거나 포함되지 않은 철 기반 분말로 구성된 "LPBF 분말 키트"를 사용하면 재료 범위를 구체적으로 확장할 수 있습니다. 자주 요구되는 재료 특성에는 내식성, 강도, 경도 및 열 전도성 등이 포함됩니다. 많은 강철 합금은 탄소, 크롬, 니켈과 같은 동일한 원소로 구성되어 있지만 각각의 비율이 다릅니다. 개발된 프로세스에는 재료의 특정 요구 사항 프로파일을 기반으로 한 합금 구성 선택, 열역학적 시뮬레이션 방법을 사용한 분말 구성 결정, 조정된 혼합 및 균질화 프로세스를 사용한 분말 준비가 포함됩니다. 그런 다음 최적의 공정 매개변수가 결정되고, 재료는 미세구조 특성화 및 기계적 특성 테스트를 통해 검증됩니다. 분말이 혼합되면 후속 레이저 빔 용융 공정을 통해 합금이 생성됩니다. 레이저의 에너지는 금속분말 입자를 녹여 원하는 합금을 만들어냅니다. 공정이 끝나면 맞춤형 재료 특성을 지닌 완성된 구성 요소가 나타납니다.

프로젝트 내 첫 번째 구체적인 응용 분야는 "LPBF 파우더 키트"에 합금을 첨가하여 특별히 조정된 특성 프로필을 위한 맞춤형 내식성 스테인리스강을 생산하는 것이었습니다. 개발 작업 중에 우수한 내식성 합금 형성에 영향을 미치는 요인이 확인되었으며 합금의 품질이 용도 중심 방식으로 테스트되었습니다. 그 결과, LPBF 공정에서 합금된 내식성 공구강과 듀플렉스강은 각각의 모재 분말보다 내식성이 더 뛰어나며 원하는 목표 특성을 달성한 것으로 나타났습니다. 또 다른 장점은 적응된 레이저 매개변수를 통해 미세구조를 조정할 수 있다는 점입니다. 이에 대한 예는 공구강 구조의 다양한 크기의 탄화물입니다. 용도에 따라 다양한 크기가 필요합니다. 개발된 분말 구성 키트를 사용하면 이러한 분말을 효율적으로 다양화하고 균일한 구성 요소로 가공할 수 있습니다. 이 하위 프로젝트의 결과는 요청 시 제공될 수 있습니다.