새로운 티타늄 합금으로 3D 프린팅이 더욱 강하고 저렴해졌습니다.

로열 멜버른 공과대학(RMIT)의 엔지니어들이 3D 프린팅 티타늄을 제작하는 새로운 제조 공정을 공개했습니다. 개선된 디자인은 값비싼 재료를 대체하는 동시에 내구성을 향상시키고 생산 비용과 시간을 단축합니다. 이 업그레이드된 티타늄 합금이 어떻게 여러 산업에 혁명을 일으키고 혁신적인 복합 소재 설계에 영감을 줄 수 있는지 살펴보겠습니다.

3D 프린팅 티타늄 합금

티타늄 합금을 3D 프린팅할 수 있는 기술은 불과 3년밖에 되지 않았지만 매년 끊임없이 발전하고 있습니다. 과학자들이 티타늄 합금을 이상적인 XNUMXD 프린팅 소재로 계속해서 주목하는 데에는 여러 가지 이유가 있습니다. 첫째, 티타늄 합금은 뛰어난 강도 대 중량비를 제공합니다. 또한, 이 소재는 내식성이 뛰어나 의료 및 기타 첨단 미션 크리티컬 장비에 더욱 폭넓게 활용되고 있습니다.

최근 개발된 기술들은 3D 프린팅 티타늄 합금에 대한 관심을 더욱 증폭시켰습니다. 반복 가능한 티타늄 격자 구조의 개발은 이러한 프린트의 안정성을 높여 더 많은 응용 분야에서 활용될 수 있도록 했습니다. 특히, 티타늄 합금을 프린팅하는 가장 일반적인 방법은 레이저 분말 베드 융합(LPBF) 또는 지향성 에너지 증착(DED) 기술을 사용하는 것입니다.

Ti-6Al-4V 이해: 업계 표준 합금

티타늄 합금에는 여러 종류가 있지만, 가장 널리 사용되고 널리 알려진 것은 티타늄 5등급(Ti-6Al-4V)입니다. 이 티타늄 합금은 인화물에 내구성, 강도, 그리고 낮은 밀도를 제공합니다. 또한, 다재다능하여 첨단 항공우주 및 자동차 분야의 핵심 부품을 포함한 다양한 분야에 사용될 수 있습니다.

3D 프린팅 티타늄 합금의 문제점

티타늄 그레이드 5는 널리 사용되지만 완벽하지는 않습니다. 단점으로는 산화에 취약한 복잡한 제조 공정으로 인해 출력 오류가 발생할 수 있다는 점입니다. 이를 방지하기 위해 이러한 장치는 불활성 가스 환경에서만 작동할 수 있습니다. 이러한 각각의 요건은 티타늄 3D 프린팅의 전체 비용을 증가시킵니다.

티타늄 프린팅에서 미세 구조 제어가 중요한 이유

오늘날 티타늄 3D 프린팅에 있어 가장 큰 제약 요소 중 하나는 응고 과정에서 발생하는 미세구조 전이를 제어하는 ​​것입니다. 이를 주상-등축 전이(CET)라고 하며, 고품질 티타늄 합금 프린트를 제작하기 위해 반드시 관리해야 하는 중요한 요소입니다.

지금까지 연구자들이 CET를 정밀하게 제어하는 것은 매우 어려웠습니다. 데이터에 따르면 이러한 소재는 냉각 과정에서 기둥 모양의 미세 구조를 형성하는 경향이 있습니다. 안타깝게도 이러한 구조는 인쇄물의 무결성을 손상시켜 기계적 특성의 불균형과 내구성 저하를 초래합니다.

3D 프린팅 티타늄 합금 연구

다행히 이러한 문제는 이제 과거의 일이 될 수 있습니다. 로열 멜버른 공과대학(RMIT) 과학자팀이 3D 프린팅 티타늄 합금의 잠재력을 최대한 활용하는 방법을 찾아냈습니다.

그들의 연구¹"금속 첨가 제조에서 기둥형에서 등축형으로의 전환을 예측하기 위한 구성 기준과학 저널 Nature Communications에 게재된 논문에서는 새로운 재료 혼합물을 사용하여 기둥 모양의 미세 구조를 만드는 문제를 어떻게 극복했는지 설명합니다.

출처 - RMIT 대학

구체적으로, 연구팀은 고성능 프린트를 얻기 위해 바나듐을 독점 원소 성분으로 대체했습니다. 연구팀은 바나듐이 여러 가지 이유로 가격이 비싸고 작업하기 어렵다는 점을 지적했습니다. 접근성의 필요성을 인지한 연구팀은 바나듐을 쉽게 구할 수 있는 재료로 대체하기로 결정했습니다. 이를 통해 제조업체들이 향후 고출력 티타늄 3D 프린트 제작에 필요한 재료를 찾는 데 오랜 시간이 걸리지 않도록 했습니다.

미세 구조 과제 해결

이 연구의 주요 목표 중 하나는 엔지니어들이 등축 미세 구조를 가진 티타늄 제품을 모델링하고 3D 프린팅할 수 있음을 증명하는 것이었습니다. 이러한 설계는 반복 가능하고 균일한 기계적 특성을 제공하여 정밀 부품에 사용하기에 이상적입니다.

합금 조성의 주요 매개변수

엔지니어들은 전체 공정을 더 깊이 이해하기 위해 3D 티타늄 합금 프린팅 공정의 단계를 세분화했습니다. 첫 번째 단계는 비평형 응고 범위를 결정하는 것입니다. 이 범위는 출력물이 균일하고 매끄럽게 나오도록 하는 데 이상적입니다.

다음 단계는 성장 제한 인자를 결정하는 것이었습니다. 마지막으로, 과냉각 매개변수는 공정의 마지막 단계입니다. 이 단계에서 연구팀은 응고 시뮬레이션을 사용하여 관련 매개변수를 계산했습니다. 이 소프트웨어를 사용하여 여러 복합재를 시험하고 응고 과정을 모니터링하여 최상의 결과를 도출할 수 있었습니다.

새로운 티타늄 합금의 연구 시험 및 결과

연구팀은 RMIT의 첨단 제조 구역에서 합금 복합재를 만들고 테스트했습니다. 이 구역에서는 핵 생성부터 완성까지 기둥 모양의 미세 구조의 형성을 만들고, 변경하고, 추적하는 데 필요한 모든 것이 제공되었습니다.

특히, 이 합성물은 99% 순도의 원소 분말을 혼합하고 TURBULA 블렌더로 블렌딩하여 제작되었습니다. 이후 TruDisk 고체 레이저를 사용하여 인쇄물을 경화시켰습니다.

연구팀은 티타늄 합금의 미세한 이미지를 촬영하는 것도 실험에 포함시켰습니다. 이 단계를 통해 엔지니어들은 인쇄 공정이 완료된 후에도 나노 구조가 오랫동안 그대로 유지되도록 할 수 있었습니다.

과학자들은 실험을 통해 균일한 입자 구조를 가진 특정 합금의 중요성을 도출해냈습니다. 따라서 이 실험은 과학자들이 3D 프린팅 티타늄 합금에 대해 생각하는 방식을 바꿀 수 있는 놀라운 결과를 제공했습니다.

실험의 테스트 단계를 통해 엔지니어들은 시뮬레이션의 정확성을 입증할 수 있었습니다. 팀은 특정 소재와 디자인이 테스트 과정에서 어떻게 반응할지 정확하게 예측할 수 있었습니다. 이제 이 데이터는 제조 공정을 더욱 개선하고 향후 더욱 강력한 복합재를 개발하는 데 사용될 수 있습니다.

연구팀은 새로운 접근법을 통해 고품질의 균일한 그레인 프린트를 제작하는 데 성공했습니다. 이 소재는 기존 티타늄 합금보다 더 강하고 내구성이 뛰어났습니다. 또한, 균일한 그레인 결과를 제공하는 쉽게 반복 가능한 제조 공정을 제공했습니다.

3D 프린팅 티타늄 합금 연구의 이점

그의 연구는 많은 이점을 보여줍니다. 첫째, 이 연구는 티타늄 합금 3D 프린팅 분야의 미래 혁신을 위한 지침이 될 것입니다. 이러한 더 나은 이해는 엔지니어들이 적층 제조 공정에서 금속 합금의 결정립 형태를 예측하는 데 활용할 수 있는 견고한 프레임워크 역할을 할 수 있습니다.

새로운 티타늄 합금이 균일한 인쇄를 가능하게 하는 방법

이 새로운 방식의 주요 장점 중 하나는 균일한 인쇄가 가능하다는 것입니다. 원치 않는 나노 구조 형성을 방지하는 능력 덕분에 이전 방식보다 훨씬 더 많은 혹사를 견딜 수 있는 균일한 인쇄가 가능합니다. 항공우주 부품과 같은 고감도 응용 분야에서 이 인쇄 방식을 사용할 때, 인쇄의 균일성은 매우 중요합니다.

티타늄 3D 프린팅의 접근성 향상

연구팀은 바나듐을 대체함으로써 티타늄 합금 3D 프린팅을 더 많은 사용자에게 쉽게 제공할 수 있게 되었습니다. 바나듐은 단단하고 은빛을 띠는 물질로 자연에서 매우 희귀합니다. 전성과 산화에 대한 안정성 덕분에 바나듐은 널리 사용되고 있습니다. 하지만 희소성 때문에 구하기가 어렵고 대규모 응용 분야에는 적합하지 않습니다.

엔지니어들은 바나듐을 제거함으로써 기존 티타늄 소재 대비 제조 공정 비용을 29% 절감할 수 있다는 것을 발견했습니다. 결과적으로, 이 연구는 향후 몇 년 안에 더 많은 제조업체들이 이 획기적인 기술을 활용할 수 있는 길을 열어줄 것입니다.

새로운 합금을 사용한 맞춤형 및 효율적인 생산

새로운 티타늄 합금 복합재를 활용하여 엔지니어는 항공우주 및 의료 분야에 사용할 수 있는 완전 맞춤형 부품을 제작할 수 있습니다. 이러한 맞춤형 생산 방식은 기존 방식보다 낭비가 훨씬 적고, 설계 및 강도 대비 중량 비율 측면에서 더 큰 유연성을 제공합니다.

실제 애플리케이션

이 연구는 여러 가지 실제 적용 가능성을 제시합니다. 첫째, 제조업체들은 고성능 부품을 제작할 수 있는 저비용 방식을 찾고 있습니다. 이 팀의 노력은 티타늄 합금 복합소재가 여러 산업 분야에서 활용될 수 있도록 도울 것입니다. 이 기술이 앞으로 발전할 수 있는 몇 가지 주요 적용 분야를 소개합니다.

항공우주공학 응용

티타늄 합금은 항공우주 기술의 핵심 요소입니다. 항공우주 설계에 있어 1온스(약 10g)의 작은 차이도 큰 차이를 만들어낼 수 있습니다. 따라서 업계에서는 이 소재를 활용하여 우주선 엔진이나 구조 부품과 같은 필수 부품을 가볍고 내구성 있게 제작할 수 있습니다.

의료 응용

이 합금은 의료 분야에서 매우 다양한 용도로 활용될 수 있습니다. 이 장치는 뛰어난 생체 적합성을 제공하여 신체 거부 반응 없이 이식할 수 있습니다. 또한, 높은 강도, 경량성, 내식성을 갖추고 있습니다. 따라서 업그레이드된 티타늄 합금은 임플란트, 보철물, 웨어러블 기기, 그리고 기타 생명을 구하는 생체 적합 기기의 제조 공정을 개선할 수 있습니다.

자동차 산업 애플리케이션

자동차 산업은 항상 더 나은 제조 공정을 모색하고 있습니다. 이 기술은 가볍고 고성능인 전기 엔진 부품 등을 제작하는 데 중추적인 역할을 할 것으로 예상됩니다. 이러한 부품을 3D 프린팅할 수 있게 되면 머지않은 미래에 교체 부품 설계도를 이메일로 받아 집에서 직접 출력할 수 있는 날이 올 것입니다.

예상 일정 및 상용화

이 기술의 적용에는 약 5~10년이 걸릴 것으로 예상됩니다. 이 컨셉을 소규모 테스트 단계에서 본격적인 생산 단계로 발전시키기 위해서는 엔지니어들이 아직 해결해야 할 세부 사항들이 많습니다. 가까운 시일 내에 연구팀은 이 기술을 더욱 발전시킬 협력 업체를 찾는 데 집중할 것입니다.

엔지니어들은 이제 독자적인 티타늄 프린팅 기술을 시장에 출시하기 위해 노력할 것입니다. 이러한 전략의 일환으로 연구팀은 이미 가특허를 출원했습니다. 향후 연구를 위한 상업적 제조 파트너를 찾고 제조 시설을 구축할 계획입니다.

3D 프린팅 티타늄 합금 연구 연구원들

호주 빅토리아주 멜버른에 있는 RMIT 대학교(RMIT University)의 공학부, 적층 제조 센터(Centre for Additive Manufacturing)에서 이 획기적인 연구를 진행했습니다. 이 연구의 주저자는 라이언 브룩(Ryan Brooke)이었습니다. 놀랍게도 그는 최근 RMIT 대학교의 연구 중개 펠로우십(Research Translation Fellowship)에 지원했습니다. 이 논문에는 두야오 장(Duyao Zhang), 동추(Dong Qiu), 마크 A. 깁슨(Mark A. Gibson), 그리고 마크 이스턴(Mark Easton)도 기여자로 명시되어 있습니다.

3D 프린팅 금속 부문에 투자

금속 3D 프린팅 기술은 기술 발전에 새로운 물결을 불러왔습니다. 여러 기업이 이 분야에서 활발히 활동하고 있으며, 많은 기업이 새롭고 효율적인 프린팅 방식을 개발하기 위해 R&D에 수백만 달러를 투자하고 있습니다. 시장에서 혁신 기업으로 평가받는 한 기업을 소개합니다.

(주)나노디멘션 (NNDM)

나노디멘션㈜ (NNDM -5.59 %) 2012년 시장에 진출했습니다. 설립자인 아밋 드로르, 샤론 피마, 사이먼 프라이드는 첨단 3D 프린팅 솔루션을 통해 PCB 보드 프로토타입 제작을 개선하기 위해 회사를 설립했습니다. 이들의 접근 방식은 성공을 거두었고, 2020년에는 최초의 다층 PCB 프린터를 출시하여 시장에 출시했습니다.

Nano Dimension Ltd는 오늘날 기업들이 제조 공정에서 기술적 우위를 유지하는 데 도움이 되는 다양한 제품을 제공합니다. DragonFly IV 시스템은 전도성 및 유전체 재료의 잉크젯 증착을 통해 인쇄 속도를 향상시킵니다. 이러한 접근 방식을 통해 프로토타입 제작 속도가 빨라지고 비용이 절감됩니다.

FLIGHT 소프트웨어 제품군은 복잡한 구조물 작업을 더욱 쉽게 해주는 또 다른 인기 옵션입니다. 설계자는 재료 사용량을 최적화하면서 정교한 디자인을 구현할 수 있습니다. 제공되는 마이크로 3D 프린팅 시스템과 함께 사용하면 제조업체는 미크론 단위의 출력물을 개발하고 모니터링할 수 있습니다.

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결론: RMIT의 티타늄 합금 혁신

금속 3D 프린팅 기술은 적층 제조 기술 분야에서 획기적인 도약으로 여겨집니다. 그 결과, 3D 프린팅 시 최상의 결과를 얻기 위해 특별히 개발된 혁신적인 금속 복합 소재들이 꾸준히 유입되고 있습니다. 이번 벤처 사업은 이 기술을 더욱 발전시켜 엔지니어들이 미래 기술을 구현할 더욱 진보된 설계를 구현할 수 있도록 지원할 것입니다.

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참고 연구:

^{1. 브룩, R., 장, D., 추, D. et al. 금속 첨가 제조에서 기둥형에서 등축형으로의 전이를 예측하기 위한 구성적 기준. Nat Commun  16, 5710 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60162-0}