새로운 타이타늄 합금, 3D 프린팅을 더 강하고 저렴하게 만듦

멜버른 왕립 기술 연구소(RMIT)의 엔지니어들은 3D 프린팅용 새로운 타이타늄 합금을 개발했다. 새로 설계된 합금은 비싼 재료를 대체하면서 내구성과 강度를 향상시키고 생산 비용과 시간을 줄였다. 이 업그레이드된 타이타늄 합금은 여러 산업을 혁신하고 새로운 복합 재료 설계를启発할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

3D 프린팅 타이타늄 합금

타이타늄 합금을 3D 프린팅할 수 있는 기술은 약 10년 전부터 시작되었고 매년 발전하고 있다. 과학자들이 타이타늄 합금을 이상적인 3D 프린팅 재료로 계속 사용하는 이유는 여러 가지가 있다. 첫째, 예외적인 강도 대 중량 비를 제공한다. 또한, 재료는 부식에 저항성이 있어 의료 및 기타 고기술 미션 크리티컬 장치에서 사용된다.

최근의 발전은 3D 프린팅 타이타늄 합금에 대한 관심을 더 높였다. 반복 가능한 타이타늄 격자 구조의 개발은 이러한 인쇄물이 더 안정적이 되도록 만들어 더 많은 응용 분야에서 사용할 수 있다. 특히, 타이타늄 합금을 프린팅하는 가장 일반적인 방법은 레이저 파우더 베드 퓨전(LPBF) 또는 방향성 에너지 증착(DED) 기술을 사용하는 것이다.

Ti-6Al-4V: 산업 표준 합금

타이타늄 합금은 여러 가지가 있지만, 가장 인기 있고 확립된 것은 티타늄 등급 5(Ti-6Al-4V)이다. 이 타이타늄 합금은 인쇄물에 내구성, 강도, 낮은 밀도를 제공한다. 또한, 그 유연성으로 인해 광범위한 응용 분야에서 사용할 수 있다. 예를 들어, 고급 항공 우주 및 자동차 응용 분야의 핵심 구성 요소로 사용된다.

3D 프린팅 타이타늄 합금의 문제

人気 있는 타이타늄 등급 5에도 불구하고, 완벽하지는 않다. 그 한계는 복잡한 제조 공정에 취약하여 산화로 인해 인쇄 오류가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 이러한 장치는 비활성 기체 환경에서만 작동할 수 있다. 이러한 요구 사항은 모두 3D 프린팅 타이타늄의 전체 비용을 증가시킨다.

타이타늄 프린팅에서 미세 구조 제어가 중요한 이유

현재 타이타늄을 3D 프린팅하는 데 대한 가장 큰 제한은 응고 과정에서 발생하는 미세 구조 전이를 제어하는 것이다. 이것은 기둥형에서 등축형으로의 전이(CET)로 알려져 있으며, 높은 品質의 타이타늄 합금 인쇄물을 생산하기 위해 관리해야 하는 중요한 구성 요소이다.

지금까지, 연구자들은 CET를 정밀하게 제어하는 것이 매우 어려웠다. 데이터에 따르면, 이러한 재료는 냉각 과정에서 기둥 모양의 미세 구조를 생성하는 경향이 있다. 안타깝게도, 이러한 구조는 인쇄물의完整性를 손상시키고, 비균일한 기계적 특성과 내구성을 감소시킨다.

3D 프린팅 타이타늄 합금 연구

幸い, 이러한 문제는 과거의 것으로 될 수 있다. RMIT의 과학자 팀은 3D 프린팅 타이타늄 합금의 전체 잠재력을 해방하는 방법을 발견했다.

그들의 연구¹, “금속 적층 제조에서 기둥형에서 등축형 전이를 예측하기 위한 조성 기준”은 타이타늄 합금을 3D 프린팅하는 새로운 방법을 설명한다. 이 방법은 새로운 재료 混合物을 사용하여 기둥형 미세 구조의 생성을 극복한다.

Source – RMIT University

구체적으로, 팀은 고성능 인쇄를 얻기 위해 바나듐을 특허된 원소 재료로 대체했다. 과학자들은 바나듐이 비싸고 작업하기 어렵기 때문에 대체하기로 결정했다. 이러한 대체로 인해 제조업체는 향상된 타이타늄 3D 인쇄를 생성하기 위해 필요한 재료를 찾기 위해 오랜 시간을 보내지 않아도 된다.

미세 구조 도전을 해결하기

연구의 주요 목표 중 하나는 엔지니어가 등축형 미세 구조를 가진 타이타늄 아이템을 모델링하고 3D 프린팅할 수 있다는 것을 증명하는 것이었다. 이러한 설계는 반복 가능하고 균일한 기계적 특성을 제공하여 정밀 부품에서 사용하기 적합하다.

합금 조성의 주요 매개 변수

엔지니어들은 3D 타이타늄 합금 인쇄 방법의 단계를 분석하여 전체 공정을 더 깊이 이해하기 위해 분해했다. 첫 번째 단계는 비평형 응고 범위를 결정하는 것이다. 이 범위는 인쇄물이 매끄럽고 균일하게 유지되도록 하는데 이상적이다.

다음 단계는 성장 제한 인자를 결정하는 것이었다. 마지막으로, 과도 냉각 매개 변수가 공정의 마지막 단계이다. 이 단계에서 팀은 응고 시뮬레이션을 사용하여 관련 매개 변수를 계산했다. 이 소프트웨어를 사용하여 여러 복합 재료를 테스트하고 응고를 모니터링하여 최상의 결과를 얻을 수 있었다.

새로운 타이타늄 합금의 연구 테스트 및 결과

팀은 RMIT의 고급 제조 시설에서 합금 복합재를 생성하고 테스트했다. 이 시설은 합금 복합재의 형성을 핵생성부터 완료까지 추적할 수 있는 모든 것을 제공했다.

주목할 점은, 합금은 99% 순수한 원소 분말을 혼합하여 TURBULA 블렌더를 통해 혼합한 후 TruDisk固体 레이저를 사용하여 인쇄물을 경화시킨 것이다.

테스트에는 타이타늄 합금의 현미경 이미지 가져오기가 포함되었다. 이 단계는 엔지니어가 인쇄물의 나노 구조가 인쇄 공정 이후에도 온전히 유지되는지 확인할 수 있게 했다.

실험을 통해 과학자들은 균일한 결정 구조를 가진 특정 합금의 중요성을 알게 되었다. 따라서, 테스트는 앞으로 타이타늄 합금을 생각하는 방식을 바꿀 수 있는 결과를 제공했다.

테스트 단계는 과학자들이 시뮬레이션을 정확하게 예측할 수 있음을 확인했다. 팀은 특정 재료와 설계가 테스트에서 어떻게 작동하는지 예측할 수 있었다. 이제 이 데이터를 사용하여 제조 공정을 더 tinh chỉnh하고 향후 더 강한 복합재를 생성할 수 있다.

팀은 새로운 접근법을 통해 고품질의 균일한 결정 구조 인쇄물을 생산하는 데 성공했다. 그들의 조성은 이전의 타이타늄 합금보다 더 강하고 더 내구성이 뛰어났다. 또한, 반복 가능한 제조 공정을 제공하여 균일한 결정 구조를 제공했다.

3D 프린팅 타이타늄 합금 연구의 이점

이 연구는 여러 가지 이점을 보여준다. 첫째, 이 연구는 타이타늄 합금 3D 프린팅 분야의 미래 혁신을 위한 지침으로 작용할 것이다. 이 이해는 엔지니어가 금속 적층 제조 공정에서 금속 합금의 결정 형태를 예측하는 데 사용할 수 있는 견고한 프레임워크로 작용할 수 있다.

새로운 타이타늄 합금이 균일한 인쇄를 가능하게 하는 방법

새로운 방법의 주요 이점 중 하나는 균일한 인쇄를 제공한다는 것이다. 원치 않는 나노 구조의 형성을 피하는 능력은 인쇄물이 더 많은 스트레스를 견딜 수 있게 한다. 이러한 인쇄물의 균일성은 항공 우주 부품과 같은 고감도 응용 분야에서 매우 중요하다.

타이타늄 3D 프린팅의 개선된 접근성

바나듐을 대체함으로써, 팀은 타이타늄 합금 3D 프린팅을 더 많은 사용자에게 사용할 수 있게 했다. 바나듐은 자연에서 매우 드물게 발견되는 단단한, 은색의 물질이다. 그 가단성과 산화에 대한 안정성으로 인해 인기가 있지만, 희소성으로 인해 대규모 응용 분야에서 사용하기 어렵다.

엔지니어들은 바나듐을 제거함으로써 제조 공정을 29% 절감할 수 있었다. 따라서, 이 연구는 향후 더 많은 제조업체가 이 게임 변경 기술을 사용할 수 있게 할 수 있다.

새로운 합금을 사용한 맞춤형 및 효율적인 생산

新的 타이타늄 합금 복합재를 사용하여, 엔지니어들은 항공 우주 및 의료 응용 분야에서 사용할 수 있는 완전히 맞춤형 부품을 생성할 수 있다. 이 맞춤형 생산은 이전의 방법보다 훨씬 덜浪費적이며, 설계 및 강도 대 중량 비에서 더 많은 유연성을 제공한다.

실제 세계 응용 분야

이 연구에는 여러 실제 응용 분야가 있다. 첫째, 제조업체는 고성능 부품을 생성할 수 있는 저비용 접근 방식을 찾고 있다. 팀의 노력은 타이타늄 합금 복합재가 여러 산업에서 사용될 수 있게 할 것이다. 여기에는 몇 가지 명백한 응용 분야가 있다.

항공 우주 공학 응용 분야

타이타늄 합금은 항공 우주 기술의 핵심 구성 요소이다. 항공 우주 설계에서 매 오운스는 차이를 만들 수 있다. 따라서, 산업은 이러한 재료를 사용하여 우주선 엔진 및 구조 부품과 같은 중요한 부품을 가볍고 더 내구성 있게 만들 수 있다.

의료 응용 분야

의료 분야에서 이 합금을 사용할 수 있는 응용 분야는 많다. 이러한 장치는 예외적인 생체 적합성을 제공하여 신체가 거부하지 않는다. 또한, 강도는 높고, 가볍고, 부식에 저항성이 있다. 따라서, 업그레이드된 타이타늄 합금은 임플란트, 보철, 웨어러블, 및 기타 생명 유지 장치를制造하는 공정을 개선할 수 있다.

자동차 산업 응용 분야

자동차 산업은 항상 더 나은 제조 공정을 찾고 있다. 이 기술은 가벼운 고성능 전기 엔진 부품과 더 많은 것을制造하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 이러한 부품을 3D 프린팅할 수 있는 능력은 가까운 미래에 대체 부품의 계획을 이메일로 받고 집에서 인쇄할 수 있는 날이 올 수 있다.

예상 타임라인 및 상업화

이 기술을 적용하는 데에는 약 5-10년이 걸릴 것으로 예상된다. 엔지니어들은 아직 이 개념을 작은 테스트에서 대규모 생산으로 옮기는 데 필요한 많은 세부 사항을 작업해야 한다. 가까운 미래에, 팀은 기술을 더욱 발전시키기 위해 협력자를 찾을 것이다.

엔지니어들은 이제 자신의 특허된 타이타늄 프린팅 방법을 시장에 도입하기 위해 노력할 것이다. 이 전략의 일부로, 그룹은 이미 임시 특허를 제출했다. 이제 그들은 향후 연구를 위한 상업적 제조 파트너를 찾고 제조 시설을 설정할 것이다.

3D 프린팅 타이타늄 합금 연구 연구자

이 획기적인 연구는 멜버른의 RMIT 대학, 공학 학교, 적층 제조 센터에서 진행되었다. 연구의 주요 저자는 Ryan Brooke였다. 인상적으로, 그는 최근에 대학에서 연구 번역 펠로십을 수락했다. 논문에는 Duyao Zhang, Dong Qiu, Mark A. Gibson, 및 Mark Easton도 기여자로 나열되어 있다.

금속 3D 프린팅 분야에 투자하기

금속을 3D 프린팅할 수 있는 능력은 기술 발전에 새로운 물결을 열었다. 여러 회사들이 이 분야에서 활발하게 활동하고 있으며, 많은 회사들이 새로운 및 더 효율적인 프린팅 방법을 개발하기 위해 연구 개발에 수백만 달러를 투자하고 있다. 여기에는 하나의 회사가 있다.

Nano Dimension Ltd. (NNDM)

Nano Dimension Ltd (NNDM )는 2012년에 시장에 진입했다. 회사의 설립자들, Amit Dror, Sharon Fima, 및 Simon Fried는 PCB 보드 프로토 타이핑을 개선하기 위해 고급 3D 프린팅 솔루션을 만들기 위해 회사를 설립했다. 그들의 접근 방식은 성공적이었고, 2020년에 회사는 시장에 첫 번째 다층 PCB 프린터를 출시했다.

Nano Dimension Ltd는 현재 회사가 제조 공정에서 기술적 우위를 유지하도록 도와주는 다양한 제품을 제공한다. DragonFly IV 시스템은 전도성 및 절연 재료의 잉크젯沉积을 사용하여 인쇄 속도를 개선한다. 이 접근 방식은 더 빠른 프로토 타이핑 및 낮은 비용을 가능하게 한다.

FLIGHT 소프트웨어 스위트는 또 다른 인기 있는 옵션으로, 복잡한 구조와 함께 작업을 더 쉽게 해준다. 그것은 설계자들이 복잡한 설계를 만들면서 재료 사용을 최적화할 수 있게 해준다. 회사가 제공하는 마이크로 3D 프린팅 시스템과 함께 사용할 때, 그것은 제조업체가 미크론 수준에서 인쇄를 개발하고 모니터링할 수 있게 해준다.

최신 Nano Dimension Ltd. (NNDM) 주식 뉴스 및 개발

결론: RMIT의 타이타늄 합금 혁신

금속을 3D 프린팅할 수 있는 능력은 적층 제조 능력의 주요 발전으로 간주된다. 따라서, 최고의 결과를 얻을 수 있는 특별히 설계된 금속 복합재의 지속적인 유입이 있었다. 이 최신의 벤처는 이 기술을 더 앞으로 밀어붙이고, 엔지니어가 미래 기술을 구동할 수 있는 더 발전된 설계를 생성할 수 있게 할 것이다.

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참조된 연구:

^{1. Brooke, R., Zhang, D., Qiu, D. et al. 금속 적층 제조에서 기둥형에서 등축형 전이를 예측하기 위한 조성 기준. Nat Commun 16, 5710 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60162-0}