3D 프린팅에는 어떤 금속 소재가 사용되나요?

금속은 전기 전도도, 열 전도도 및 가소성이 뛰어난 재료입니다. 일반적으로 금속 원소나 합금으로 구성되며, 높은 강도, 경도 및 내식성을 지닙니다. 금속은 산업 제조, 건설, 전자, 항공우주 분야 전반에 걸쳐 사용됩니다. 금속의 물리적, 화학적, 가공적 특성 덕분에 기존 제조 분야뿐만 아니라 금속 3D 프린팅 분야에서도 중요한 역할을 합니다.

현재 3D 프린팅에 사용되는 금속으로는 스테인리스강, 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 니켈 합금, 구리 합금, 철 합금 등이 있습니다. 이러한 소재는 일반적으로 강도와 경도가 높으며, 기존 방식으로는 가공하기 어려운 경우가 많아 적층 제조가 매력적인 대안이 되고 있습니다. 3D 프린팅용 금속 분말은 일반적으로 높은 순도, 우수한 구형도, 좁은 입자 크기 분포, 낮은 산소 함량을 요구합니다. 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)과 같은 공정을 통해 복잡한 형상의 맞춤형 금속 부품을 신속하게 제작할 수 있습니다.

스테인리스 스틸

스테인리스강은 철, 크롬, 니켈 및 기타 합금 원소로 구성되어 있으며, 그중 크롬이 주된 합금 원소입니다. 이 소재는 용접성이 우수하고, 내화학성, 내열성, 기계적 성능이 뛰어나며, 식품 및 의약품과 접촉하기에 적합한 위생적 특성을 갖추고 있습니다. 스테인리스강 분말은 쉽게 성형되고, 제조가 간편하며, 비교적 저렴하기 때문에 3D 프린팅에 사용된 가장 초기 금속 중 하나입니다.

주요 용도로는 구조용 및 하중 지지 부품, 파이프, 용기, 문, 창문, 난간, 장식용 제품, 식품 가공 장비, 의료 기기 및 화학 장비 등이 있습니다. 금속 3D 프린팅에 일반적으로 사용되는 스테인리스강 등급으로는 오스테나이트계 316L 및 304L, 그리고 마르텐사이트계 석출 경화형 15-5PH 및 17-4PH 등이 있습니다.

알루미늄 합금

알루미늄 합금은 알루미늄에 구리, 아연, 마그네슘 등의 원소를 혼합한 것입니다. 이 합금의 구체적인 특성은 합금 원소의 종류와 함량에 따라 달라집니다. 알루미늄 합금은 밀도가 낮고, 비강도와 강성이 높으며, 주조성과 가소성이 우수하고, 내식성이 좋으며, 비교적 높은 피로 저항성을 지닙니다. 이 합금은 항공우주, 운송, 건설, 전기기계 제품, 경공업 및 소비재 분야에서 널리 사용됩니다.

금속 3D 프린팅에 사용되는 알루미늄 합금으로는 AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg, Al-Si9Cu3, 6060, 6061 등이 있습니다. AlSi12는 열적 특성이 우수한 경량 분말로, 열교환기와 같은 얇은 벽을 가진 항공우주 및 자동차 부품에 적합합니다. AlSi10Mg는 얇은 벽을 가진 부품과 복잡한 형상의 부품, 특히 우수한 열적 성능과 낮은 질량이 요구되는 경우에 높은 강도와 경도를 제공합니다.

티타늄 합금

티타늄 합금은 높은 강도와 낮은 밀도, 우수한 인성, 내식성 및 생체적합성을 겸비하고 있습니다. 이 합금은 의료, 항공우주 및 자동차 분야에서 중요한 역할을 합니다. 티타늄은 전형적인 가공이 어려운 소재로, 절삭성이 나쁠 뿐만 아니라 열간 가공 과정에서 수소, 산소, 질소 및 탄소를 쉽게 흡수합니다. 금속 3D 프린팅은 유용한 기계적 특성을 유지하면서 복잡한 구조를 형성할 수 있기 때문에 특히 적합합니다. 보호 분위기 덕분에 산소 및 질소와의 반응을 억제할 수 있으며, 국부적인 급속 가열 및 냉각을 통해 합금 원소의 증발을 최소화할 수 있습니다.

현재 3D 프린팅에 사용되는 티타늄 소재로는 상업용 순수 티타늄, Ti6Al4V(TC4), Ti6Al17Nb 등이 있습니다. 주요 용도로는 항공우주 부품과 뼈, 치아 등의 인체 이식물이 있습니다.

니켈 기반 합금

니켈 기반 합금은 650~1000°C에서 높은 강도와 내산화성 및 내열부식성을 유지합니다. 이러한 합금의 기계적 특성 및 내산화성, 내열부식성은 고온·고응력 환경에서 사용하기에 적합합니다. 적층 제조된 니켈 합금은 터빈 디스크 및 블레이드와 같은 항공기 엔진의 고온부 부품에 사용될 수 있어, 엔진의 안정성과 열효율을 향상시킵니다. 질량 기준으로 50% 티타늄을 함유한 니켈 기반 합금은 강력한 형상 기억 효과를 나타내며, 우주선 구조물 및 인공 심장 모터에 사용됩니다. 3D 프린팅에 널리 사용되는 니켈 초합금으로는 인코넬 625(IN625), 인코넬 718(IN718), 인코넬 939(IN939) 등이 있습니다.

코발트 기반 합금

코발트 기반 합금은 코발트를 주성분으로 하며, 니켈, 크롬, 텅스텐과 소량의 몰리브덴, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 란타늄 및 기타 첨가물을 포함합니다. 이 합금은 높은 강도, 내식성, 생체적합성을 갖추고 있어 초기에 인공 관절에 사용되기 시작했습니다. 현재는 맞춤형 치과 보철물과 엔진 부품에 널리 사용되고 있습니다. 일반적인 3D 프린팅용 등급으로는 Co212, Co452, Co502, CoCr28Mo6 등이 있습니다.

구리 합금

구리 합금은 구리를 주성분으로 사용합니다. 구리는 항균성을 지니고 있기 때문에, 이러한 합금은 의료 기기나 공공장소의 문 손잡이와 같이 자주 접촉하는 제품에 사용됩니다. 구리 분말은 레이저 반사율이 높고 흡수율이 낮기 때문에 오랫동안 3D 프린팅이 어렵다고 여겨져 왔습니다. 그러나 최근 몇 년간 많은 기업들이 구리 합금 3D 프린팅에 성공했습니다. 사용 가능한 원료로는 구리 합금 분말, 구리 매트릭스 복합재, 구리 합금 와이어 등이 있습니다.

액체 금속

3D 프린팅에 사용되는 액체 금속은 일반적으로 실온에서 액체 상태를 유지하는 무독성 갈륨-인듐 합금으로, 여기에는 갈륨-인듐 합금과 갈륨-인듐-주석 합금이 포함됩니다. 이 합금은 공기에 노출되면 표면이 굳어지지만 내부는 액체 상태를 유지합니다. 이러한 전기 전도성 덕분에 액체 금속 회로 기판을 프린팅할 수 있는 가능성이 열립니다.

2017년, 중국과학원 물리화학기술연구소의 극저온 및 의학 연구실은 ‘부유 액체 금속 3D 프린팅’ 기술을 제안했다. 이 공정은 갈륨-인듐 액체 합금을 프린팅 재료로 사용하고, 자가 경화형 하이드로겔을 지지체로 활용한다. 노즐이 실온 상태의 액체 금속을 지속적으로 압출하면, 하이드로겔이 이를 지지하며 형태를 고정합니다. 층층이 적층하는 과정을 통해 매우 복잡하고 유연한 3차원 금속 구조물을 제작할 수 있습니다. 잠재적인 응용 분야로는 유연한 3D 전자기기, 소프트 로봇 조립, 재료 캡슐화, 생의학 등이 있습니다.

기타 금속

금, 은, 니오븀, 지르코늄, 마그네슘 합금 및 기타 금속도 3D 프린팅이 가능합니다.