3D 프린팅용 금속: 적합한 소재 선택 가이드

3D 프린팅용 금속

금속 3D 프린팅은 시제품 제작 연구실을 넘어섰습니다. 항공우주 산업부터 의료기기 제조에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 기존 기계 가공으로는 구현할 수 없는 형상의 고성능 부품을 제작하는 데 사용되고 있습니다. 기술이 발전함에 따라 프린팅 가능한 금속의 종류도 크게 늘어났습니다. 따라서 적합한 재료를 선택하는 것은 적합한 장비를 선택하는 것만큼이나 중요합니다.

엔지니어와 구매팀은 각 재료의 기계적 특성, 비용 구조, 그리고 최적의 적용 분야를 알 때 더 나은 의사 결정을 내릴 수 있습니다. 잘못된 재료 선택은 부품 성능 저하, 비용 증가, 또는 값비싼 후처리로 이어져 적층 제조의 장점을 무색하게 만들 수 있습니다. 구조 부품, 생체 의료용 임플란트, 또는 공구 등 어떤 제품을 만들든 재료 선택은 모든 것에 영향을 미칩니다.

Boda Tech는 다양한 산업 분야의 제조업체와 협력하여 해당 용도에 가장 적합한 금속 3D 프린팅 공정을 찾아냅니다. 맞춤형 3D 프린팅 자원과 합리적인 금속 3D 프린팅 비용 선택지를 평가할 때 좋은 출발점이 될 수 있습니다.

 

금속 3D 프린팅이란 무엇입니까?

금속 적층 제조는 다음과 같이 알려져 있습니다. 금속 3D 인쇄이 기술은 금속 분말, 와이어 또는 결합된 형태를 사용하여 디지털 파일로부터 부품을 제작합니다. 재료 덩어리에서 재료를 제거하는 절삭 가공과는 달리, 적층 공정은 필요한 부분에만 재료를 쌓아 올립니다. 이는 폐기물을 줄이고 기존 방식으로는 기계 가공이 불가능했던 복잡한 내부 형상을 구현할 수 있게 해줍니다.

분말층 융합, 결합 분말 압출 및 직접 에너지 증착은 가장 일반적으로 사용되는 공정 계열입니다. 각 공정은 재료 호환성 및 해상도 측면에서 서로 다른 특성을 가지고 있습니다. 선택하는 공정에 따라 원하는 금속을 선택할 수 있습니다.

금속 3D 프린팅: 작동 원리

금속 3D 프린팅 격자형 큐브 구조

분말 베드 융합(Powder Bed Fusion)은 레이저 빔이나 전자 빔을 이용하여 금속 분말을 층별로 선택적으로 녹이는 방식입니다. 빔은 새로운 금속 분말 층이 제작 플랫폼에 도포되기 전에 다음 단면을 녹입니다. 결합 분말 압출(Bound Powder Extrusion)은 금속 분말을 바인더 폴리머와 혼합하여 걸쭉한 페이스트와 유사한 형태로 압출한 후 오븐에서 소결하여 바인더를 제거하는 방식입니다. 두 방식 모두 밀도가 높고 기능적인 부품을 생산하지만, 표면 마감, 제작 시간, 치수 정확도 및 재료 선택 측면에서 각각 상당한 장단점이 있습니다.

기존 제조 방식의 장점

3D 프린팅용 금속은 기계 가공으로는 제작할 수 없는 격자 구조나 유기적인 형상을 필요로 하는 부품에 탁월한 성능을 발휘합니다. 또한 이 기술은 소량 생산 부품이나 특수 품목의 납기를 단축시켜주며, 기계 가공으로는 비용 부담이 큰 인코넬이나 티타늄과 같은 고가의 합금을 경제적으로 생산할 수 있도록 해줍니다. 적층 제조는 많은 고부가가치 응용 분야에서 기계 가공의 대안일 뿐만 아니라, 유일하게 사용 가능한 생산 방식이기도 합니다.

 

금속 3D 프린팅 재료: 가장 일반적인 05가지 금속

강철, 초합금, 티타늄은 가장 널리 사용되는 재료 중 일부입니다. 3D 인쇄 자료 금속 적층 제조에 사용됩니다. 각 재료 그룹은 기계적 특성, 비용 및 적용 적합성 측면에서 서로 다른 균형을 제공하며, 개별 등급은 특정 성능 요구 사항에 따라 선택됩니다.

강철

강철은 3D 프린터에서 가장 흔하게 사용되는 금속 중 하나입니다. 뛰어난 강도와 강성 덕분에 3D 프린팅에 가장 인기 있는 소재입니다. 강철 3D 프린팅은 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있으며, 다양한 산업 분야에서 활용되고 있고, 비용 또한 비교적 저렴합니다. 대부분의 강철 종류를 프린팅할 수 있지만, 스테인리스강과 공구강이 가장 많이 사용됩니다. 이러한 강종은 가공 비용이 높고 다루기가 어렵습니다. 따라서 적층 제조 방식은 이러한 강종을 프린팅하는 데 비용 효율적인 대안입니다.

스테인리스 강

다양한 금속 3D 프린팅 부품

스테인리스강의 내식성은 최소 12%의 크롬 함유량 때문입니다. 스테인리스강 3D 프린팅에는 주로 두 가지 유형이 사용됩니다.

• 오스테나이트계(316L): 스테인리스강은 내식성이 뛰어나 가장 흔하게 인쇄에 사용되는 소재입니다. 용접 및 기계 가공은 가능하지만 열처리는 불가능합니다. 화학 공정, 의료 기기 및 해양 장비에 적합합니다.
• 17-4 PH (마르텐사이트계): 열처리를 통해 다양한 경도에서 폭넓은 기계적 특성을 얻을 수 있는 석출경화형 스테인리스강입니다. 316L보다 단단하고 강하지만 내식성은 떨어집니다. 산업 제조 및 항공우주 부품에 널리 사용됩니다.

공구강

공구강은 절삭, 연삭, 스탬핑과 같은 특정 작업에 맞게 설계되었습니다. 이 강재는 탄화물 화합물을 함유하고 있어 상온 및 고온에서 뛰어난 경도와 내마모성을 제공합니다. 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 등급은 다음과 같습니다.

• A2 : 펀치, 다이 및 일반 공구 제작에 사용되는 냉간 가공용 다용도 공구강입니다. 인성과 내마모성이 균형 있게 갖춰져 있습니다.
• D2 이 제품은 산업용 블레이드 및 슬리터와 같은 냉간 가공 용도에 최적화되어 최대의 내마모성을 제공합니다.
• H13 고온 공구강으로 내열성, 인성 및 내마모성이 뛰어납니다. 다이캐스팅 인서트 및 단조 금형에 이상적입니다.

초합금 – 인코넬 및 코발트 크롬

금속 3D 프린팅 부품

초합금은 고온, 고압, 부식성 화학 물질과 같은 가혹한 환경에서도 제 성능을 발휘할 수 있으며, 이러한 환경에서는 일반 합금은 파괴될 수 있습니다. 금속 3D 프린팅은 기존 방식으로는 생산하기 어렵고 비용이 많이 드는 초합금을 경제적인 방법으로 생산할 수 있게 해줍니다.

인코넬

니켈 기반 초합금 계열인 인코넬은 강철이 구조적 안정성을 잃는 고온에서도 뛰어난 강도, 인성 및 내식성을 유지하는 것으로 유명합니다. 인코넬 625는 열피로 및 산화에 대한 저항성이 더 뛰어나고, 인코넬 718은 강도와 ​​인성이 더욱 우수합니다. 가스 터빈, 제트 엔진 밀봉재, 배기 부품 및 로켓 부품에 이 두 가지 등급 모두 사용됩니다.

코발트 크롬

코발트 크롬은 높은 강도 대비 무게, 생체 적합성 및 내식성을 모두 갖춘 소재입니다. 구조적 신뢰성과 생체 적합성이 요구되는 분야에 적합한, 밀도가 높고 성능이 뛰어난 티타늄 대체재입니다. 코발트 크롬은 터빈, 산업 환경, 의료 기기 등 다양한 분야에 사용될 수 있습니다.

티타늄

티타늄은 뛰어난 강도 대비 무게 비율을 제공하는 소재이지만, 기존 제조 방식에서는 원자재 비용과 가공 비용이 높습니다. 이러한 이유로 적층 제조 방식이 매우 효과적입니다. 티타늄 3D 프린팅은 재료비를 절감할 수 있을 뿐 아니라, 기하학적 형상 구현의 자유로움 덕분에 티타늄 부품 제작에 드는 높은 장비 비용을 상쇄할 수 있습니다. 티타늄은 크게 두 가지 형태로 프린팅할 수 있습니다.

• Ti-6Al-4V: 적층 제조에 가장 일반적으로 사용되는 티타늄 합금입니다. 17-4 PH보다 약 40% 가볍지만 강도는 비슷하거나 더 높습니다. 부식성 환경과 고온에 대한 저항성이 뛰어납니다. 무게 감소가 중요한 항공우주 구조물, 자동차 부품 및 산업용 하드웨어에 사용됩니다.
• 상업적으로 순수한 티타늄: Ti64보다 강도는 떨어지지만 가공 조건에 관계없이 생체 적합성이 더 뛰어납니다. 정형외과용 임플란트, 뼈 나사 및 생체 통합이 중요한 기타 의료 제품과 같은 의료 기기에 사용됩니다.

티타늄은 3D 프린팅 금속 부품을 생산하는 모든 엔지니어링 팀에게 핵심 소재이며, 무게 대비 성능 비율이 설계의 주요 기준이 됩니다.

구리

구리는 적층 제조 분야에서 특별한 위치를 차지하는 금속입니다. 구리가 적층 제조에 사용되는 주된 이유는 기계적 특성보다는 열전도율과 전기전도율이 뛰어나기 때문입니다. 금속 3D 프린팅을 통해 엔지니어는 기계 가공이나 주조로는 제작하기 매우 어려운 기하학적으로 최적화된 구리 부품을 만들 수 있습니다. 방열판, 버스바, 유도 코일, 용접 전극 등이 대표적인 응용 분야입니다.

• 순수 구리: 이 소재는 모든 구리 변형체 중에서 열전도율과 전기전도율이 가장 높습니다. 하지만 레이저 반사율이 높아 표준 PBF 레이저 시스템과는 호환되지 않습니다. 바운드 파우더 압출기에서만 인쇄가 가능합니다.
• 합금 구리(예: C18150): 합금 구리는 크롬이나 아연과 같은 합금 성분을 1~2% 함유하고 있어 레이저 반사율을 낮춰 특정 PBF 플랫폼에서 인쇄가 가능하게 합니다. 합금 구리의 전도성은 순수 구리보다 낮지만 다른 금속 그룹보다는 여전히 우수합니다.

알류미늄

알루미늄 3D 프린팅은 기존 제조 방식에 비해 보편화되지 못했습니다. 이는 주로 가장 널리 사용되는 단조 알루미늄 등급인 6061과 7075가 표준 PBF(압축 활석 적층) 시스템으로 프린팅이 불가능하기 때문입니다. 실리콘 함량이 최대 12%인 주조용 합금은 프린팅이 가능하지만, 단조 합금에 비해 기계적 특성이 떨어집니다. 또한, 표준 알루미늄 가공 비용이 상대적으로 저렴하기 때문에 알루미늄 프린팅의 투자 수익률(ROI)은 다른 금속에 비해 낮습니다.

연속 섬유 복합재 프린팅은 알루미늄과 동등한 강도를 가진 부품이 필요한 엔지니어링 팀에게 훌륭한 선택입니다. 또한 강성, 피로 저항성 및 충격 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 알루미늄 적층 제조를 고려하기 전에 이 대안을 검토해 보십시오.

금속 3D 프린팅 재료 비교표

자재	신체 강화하기	중량(평량)	내식성	에 Biocompatibl	최고의 사용 사례
스테인레스 스틸 316L	고품질	중간	우수한	아니요,	의료, 해양, 화학
17-4 PH 스테인리스 스틸	매우 높음	중간	좋은	아니요,	하드웨어 및 산업용 공구
H13 공구강	매우 높음	중간	보통	아니요,	열간 가공 공구, 금형
인코넬 718	매우 높음	중간 고	우수한	아니요,	항공우주용 터빈
코발트 크롬	매우 높음	고품질	우수한	네!	항공우주 임플란트
Ti-6Al-4V	고품질	저렴한 비용	우수한	가정 어구	항공우주, 자동차
CP 티타늄	보통	저렴한 비용	우수한	네!	의료용 임플란트
순수한 구리	저렴한 비용	고품질	좋은	아니요,	방열판 및 전도체
알루미늄(주조용)	보통	매우 낮은	보통	아니요,	경량 소재로 제작된 하우징

 

최고의 금속 3D 프린팅 재료는 무엇일까요?

 새로 인쇄된 금속 임펠러 

프로젝트 요구사항을 기계적 성능, 환경 노출 요구사항, 생체 적합성 요구사항, 그리고 총 예산이라는 네 가지 측면에서 이해하면 최적의 재료를 선택하는 데 도움이 됩니다. 이는 시제품 단계에서 양산 단계로 넘어갈 때 팀들이 흔히 저지르는 비용이 많이 드는 실수입니다.

적용 환경에 맞는 재료 선택

고온이나 화학적으로 부식성이 강한 환경에 노출되는 부품의 경우 초합금을 고려해야 합니다. 티타늄은 무게가 중요한 구조 부품에 가장 적합한 소재입니다. 공구강이나 스테인리스강은 일반 산업용 하드웨어 및 공구에 가장 경제적인 소재입니다. 구리는 현대 전자 기기 및 전력 시스템에 필요한 열 관리 부품을 제공할 수 있는 유일한 금속입니다.

후처리 요구사항을 고려하십시오.

일부 재료는 최종적인 기계적 특성을 얻기 위해 추가적인 가공이 필요합니다. H13 및 17-4 PH와 같은 재료는 열처리가 필요합니다. 초합금이나 티타늄 부품의 내부 기공을 메우기 위해 고온 등방압 성형(HIP)을 사용하는 경우가 많습니다. 밀봉면 및 베어링 계면에는 표면 마감이 필요한 경우가 많습니다. 이러한 공정은 프로젝트 시간과 비용을 증가시킬 수 있습니다. 따라서 재료를 선택할 때 이러한 공정들을 간과해서는 안 됩니다. 

인코넬이나 티타늄 같은 소재의 경우, 내부 기공을 제거하고 필요한 기계적 강도를 얻기 위해 열처리 또는 고온 등방압 성형이 필요할 수 있으며, 이는 프로젝트 시간과 비용을 증가시킵니다. 반면 스테인리스강 부품은 일반적으로 밀봉 및 베어링 인터페이스 요구 사항을 충족하기 위해 연마 또는 비드 블라스팅과 같은 표면 마감 처리만 필요합니다. 설계가 확정되기 전에 각 소재에 필요한 이러한 후처리 사항을 파악하면 생산 공정 후반에 예상치 못한 추가 공정으로 인한 예산 초과 및 지연을 방지할 수 있습니다.

비용 대비 성능의 균형을 유지하세요

강철은 초합금보다 가격이 저렴합니다. 하지만 티타늄과 초합금은 제조 및 가공 비용이 더 높습니다. 예산이 제한적인 프로젝트의 경우, 재료 선택과 함께 금속 3D 프린팅 비용 분석을 수행해야 합니다. 가격 대비 성능이 가장 우수한 재료는 다양한 용도로 사용 가능한 스테인리스강 316L입니다. 특별히 더 높은 성능의 재료가 필요한 경우가 아니라면, 이 재료를 기본으로 사용하는 것이 좋습니다.

금속 자동차 부품용 3D 프린팅

자동차 산업은 다른 산업 분야보다 훨씬 더 광범위하게 금속 적층 제조 기술을 도입해 왔습니다. 이는 경량 구조 부품과 복잡한 형상의 냉각 채널에 대한 수요 때문입니다. 최적화된 형상의 브래킷에 대한 수요 또한 높습니다. 무게에 민감한 구조 부품에 적합한 재료로는 알루미늄과 티타늄 합금이 있습니다. 금형 및 고정 장치에는 공구강이 사용됩니다. 

흡기 및 배기 매니폴드 생산은 3D 프린팅 기술을 활용하여 가능합니다. 맞춤형 브래킷 어셈블리, 생산 도구, 서스펜션 하드웨어 또한 제작할 수 있습니다. 그 결과 부품 수 감소, 조립 시간 단축, 그리고 모든 차량 프로그램에서 성능 대비 중량 비율의 상당한 개선을 이룰 수 있습니다.

 

금속 3D 프린팅 재료 선택 시 흔히 저지르는 실수

흔히 저지르는 선택 실수를 피함으로써 생산 지연을 방지하고 비용을 절감할 수 있습니다.

• 모든 합금이 동일한 방식으로 인쇄된다면, 같은 재질군 내에서도 모든 등급의 자료를 인쇄할 수 있는 것은 아닙니다. 가장 일반적으로 사용되는 단조 알루미늄 등급인 6061과 7705는 표준 PBF 시스템으로는 제공되지 않습니다.
• 비용 추정치에 후처리 비용은 포함되지 않습니다. 인코넬이나 티타늄과 같은 많은 소재는 출력 후 열처리 및 후가공이 필요합니다. 이러한 비용은 예산 책정 시 종종 간과되어 생산 단계에서 큰 비용 초과로 이어집니다.
• 재료 등급을 과도하게 지정하는 경우: 316L이 동일한 성능을 발휘할 수 있음에도 불구하고 인코넬을 사용하면 재료비와 가공비가 추가됩니다. 재료는 사용 환경에 따라 선택해야 하며, 단순히 최고 사양의 제품을 선택해서는 안 됩니다.
• 적층 제조를 위한 설계 최적화 과정을 생략합니다. 3D 프린팅 금속 부품은 기계 가공으로는 불가능한 형상을 구현할 수 있습니다. 기계 가공 부품을 적층 제조에 맞게 재설계하지 않고 교체하는 것은 비용 경쟁력이 떨어질 뿐만 아니라 이 기술의 핵심 가치를 놓치는 것입니다.

맺음말 

금속 3D 프린팅 소재는 다양한 특성, 가격 및 용도를 가지고 있습니다. 구리는 열적 및 전기적으로 최적화된 설계를 가능하게 합니다. 알루미늄은 프린팅 제약이 허용되는 무게가 중요한 용도에 사용됩니다. 적합한 소재를 적합한 용도에 선택하려면 기계적 특성, 공정 호환성, 후처리 요구 사항 및 총비용을 평가하는 것이 중요합니다.

Boda Tech는 엔지니어링 및 구매 팀이 프로젝트에 적합한 재료, 공정 및 제조 방식을 선택할 수 있도록 지원합니다. 최초의 금속 적층 부품을 생산하든 기존 워크플로를 확장하든 관계없이, 당사의 솔루션은 최적의 솔루션을 제공합니다. 3D 프린팅 서비스 소재 선정, 설계 지원 및 생산을 모두 포함합니다. 맞춤형 3D 프린팅 페이지를 방문하시거나 저희 팀에 연락하여 프로젝트에 대해 상담하세요.

 

FAQ's

3D 프린팅에 가장 일반적으로 사용되는 금속은 무엇이며 그 이유는 무엇입니까?

현재 적층 제조에 가장 일반적으로 사용되는 금속으로는 강철(특히 316L 스테인리스강 및 17-4 PH), 티타늄(Ti-6Al-4V), 코발트 크롬(크롬), 구리, 주조용 알루미늄 합금 등이 있습니다. 강철은 비용 효율성과 다양한 산업 분야에서의 활용성 덕분에 가장 널리 사용되는 금속입니다.

3D 프린팅으로 만들 수 있는 가장 강한 금속은 무엇일까요?

가장 단단한 강철은 공구강입니다. 특히 H13과 D2는 열처리된 강철입니다. 인코넬 718은 고온에서 탁월한 인장 강도를 제공하는 구조용 합금입니다. Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금은 강도 대비 무게 비율이 가장 뛰어납니다. 최적의 선택은 항복 강도, 경도, 피로 성능 또는 고온 성능 중 어떤 것을 측정하는지에 따라 달라집니다.

금속 3D 프린팅은 얼마나 비싼가요?

금속 3D 프린팅은 단순한 형상을 대량 생산할 경우 기존 기계 가공 방식보다 부품당 비용이 더 높습니다. 하지만 복잡한 형상이나 인코넬 또는 티타늄처럼 기계 가공이 어려운 합금의 경우에는 적층 제조 방식이 더 저렴한 경우가 많습니다. 최종 비용은 재료 선택, 가공 방식, 후처리 등에 따라 크게 달라지므로 사전에 비용을 예측하는 것이 중요합니다.

금속이 플라스틱보다 강한가요?

네, 거의 모든 구조적 용도에서 그렇습니다. 금속 3D 프린팅 부품은 동일한 합금으로 가공한 부품과 동등하거나 그 이상의 기계적 특성을 가지고 있습니다. 연속 섬유 복합재 프린팅도 알루미늄 수준의 강도를 구현할 수 있지만, 고온이나 고하중 조건에서는 고성능 합금의 성능을 따라잡을 수 없습니다. 하중을 견뎌야 하거나, 마모가 심하거나, 고온에 노출되는 용도에는 금속만이 유일하게 사용 가능한 소재입니다.