산업용 3D 프린팅을 위한 금속 분말 제조 과정

금속 분말은 적층 제조(AM) 산업에서 가장 핵심적인 구성 요소 중 하나로, 3D 프린팅 금속 부품의 기반을 적층 제조 (AM) 산업의 기반이 되며, 금속 3D 프린팅 부품 제작에 필수적입니다. 2013 세계 3D 프린팅 기술 산업 컨퍼런스에서 전문가들은 이를 다음과 같이 정의했습니다. 3D 프린팅 금속 분말 지름이 1mm 미만인 금속 입자들의 집합으로, 순금속, 합금, 금속 특성을 갖는 내화합물들을 포함합니다.

현재 사용 가능한 금속 분말에는 3D 프린팅 코발트-크롬 합금, 스테인리스강, 금형강, 청동 합금, 티타늄 합금, 니켈-알루미늄 합금 등이 있습니다. 적층 제조(AM) 공정의 엄격한 요구사항을 충족시키기 위해 금속 분말은 다음 특성을 가져야 합니다:

• 미세 입자 크기

• 좁은 입도 분포

• 높은 구형도

• 우수한 유동성

• 높은 탭 밀도 및 벌크 밀도

분말 제조 방법

목적 응용 분야 및 후속 성형 공정에 따라 다양한 분말 제조 기술이 사용됩니다. 이러한 기술은 크게 두 가지 범주로 나뉩니다:

• 물리화학적 방법

• 기계적 방법

분말야금 산업에서는 전해 , 감소 , 그리고 분무화 일반적으로 사용되지만, 모든 방법이 합금 분말 제조에 적합하지는 않다. 적층 제조(AM)에서는 주로 다음 소재에 초점이 맞춰져 있다. 티타늄 합금 , 슈퍼합금 , 코발트-크롬 , 고강강철 , 그리고 공작 도구강 . 성능 기준을 충족하기 위해 분말은 다음 특성을 유지해야 한다.

• 낮은 산소 및 질소 함량

• 높은 구형도

• 좁은 입자 크기 분포

• 높은 담금 밀도

현재, AM용 구형 금속 분말 제조에 가장 널리 사용되는 네 가지 방법은 다음과 같다.

1. 플라즈마 회전 전극 공정(PREP)

2. 플라즈마 미분화(PA)

3. 가스 미분화(GA)

4. 플라즈마 구상화(PS)

1. 플라즈마 회전 전극 공정(PREP)

원칙:
금속 막대(전극)를 고속으로 회전시키면서 끝부분을 플라즈마 아크로 용융시킨다. 용융된 물질이 원심력에 의해 튕겨 나가면서 미세한 방울이 형성되고, 불활성 가스 환경에서 거의 완전히 둥근 형태의 분말로 응고된다.

주요 특징:

• 깨끗하고 높은 수준의 구형 분말을 생산함

• 우수한 유동성과 표면 품질

• 입도 분포가 좁음

제한 사항:

• 미세 분말(<45 μm)의 수율이 낮음

• 장비 요구 조건이 높음(회전 속도, 밀폐성)

• 미세 분말의 경우 비용이 더 많이 듭니다.

용도:
티타늄 및 고온 합금과 같은 구형 합금 분말 제조에 가장 적합합니다. 비교적 큰 입경의 분말은 레이저 증착 적층 가공(Laser Engineered Net Shaping, LENS) 또는 정밀 에너지 증착(Directed Energy Deposition, DED) 공정에서 자주 사용됩니다.

2. 플라즈마 분쇄법(Plasma Atomization, PA)

원칙:
금속 와이어를 고온의 플라즈마 영역으로 공급하여 융해 또는 기화시킨 후, 플라즈마의 운동 에너지를 이용해 이를 미세한 액적들로 분쇄합니다. 이 액적들은 불활성 가스가 충만한 챔버를 통과하면서 냉각되어 미세 분말로 응고됩니다.

주요 특징:

• 초미세 분말(<45 μm)의 높은 수율

• 중공 입자 또는 가스 포집 현상이 거의 없음

• 융점이 높은 합금에 매우 적합함

제한 사항:

• 와이어 형태의 원료를 필요로 하여 합금 선택의 유연성이 제한적임

• 와이어 가공으로 인해 제조 비용이 상승함

• 일부 위성 분말(satellite powder)이 발생함

용도:
고순도 미세입자 분말이 필요한 적층 제조 응용 분야에 이상적입니다. 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)에 사용되는 티타늄 합금에 적합합니다.

3. 가스 분쇄(GA)

유형:

• VIGA (진공유도가스분쇄)
  진공 상태에서 타원로를 사용하여 금속을 용융합니다. 고압의 불활성 가스 제트에 의해 용융된 금속이 방울 형태로 분쇄됩니다.

• EIGA (전극유도용융불활성가스분쇄)
  유도 코일을 사용하여 회전하는 금속 전극을 용융하여 타원로 사용을 불필요하게 하고 오염 위험을 줄입니다.

주요 특징:

• 높은 효율성과 비용 효과

• 광범위한 합금과 호환성 (강철, 니켈, 코발트, 알루미늄, 구리)

• 제어 가능한 입자 크기

제한 사항:

• 플라즈마 기반 방법보다 구형도가 낮음

• 위성 입자 및 중공 분말 함량이 더 높음

• 공기 포획 현상으로 인해 EBM 또는 핫 아이소스태틱 프레싱(HIP)에는 다소 적합하지 않음

용도:
SLM 및 DED 공정용 분말 제조에 널리 사용됨. 초음파 및 층류 가스 분쇄 기술과 같은 지속적인 개선을 통해 AM용 분말 품질이 향상됨.

4. 플라즈마 구형화(PS)

원칙:
불규칙한 금속 분말이 고주파(RF) 플라즈마 토치로 공급됨. 입자들이 융점 근처 또는 그 이상으로 가열된 후 급속히 냉각되며 표면 장력에 의해 구형 입자가 형성됨.

주요 특징:

• 높은 구형도와 매끄러운 표면

• 우수한 유동성

• 내화금속(탄탈럼, 텅스텐, 니오븀, 몰리브덴)에 적합함

제한 사항:

• 긴 가열 사이클

• 증가된 표면적으로 인한 높은 산소 함량

• 융해 중 휘발성 합금 원소의 손실

용도:
주로 비구형 분말을 구형으로 재가공하는 데 사용됩니다. 사용된 분말 또는 재활용 분말을 회수하는 데에도 유용합니다.

방법 비교

결론

전 세계적으로 적층 제조 기술이 재료, 장비 및 응용 분야 전반에서 빠르게 발전하고 있습니다. 현재 많은 관심이 프린팅 공정 자체에 집중되어 있지만, 금속 분말의 상류 개발 — 특히 합금 설계, 생산 장비 및 저비용 구형화 기술 — 은 여전히 중요하지만 미비한 분야로 남아 있습니다.

탄탄하고 독립적인 적층 제조(AM) 생태계를 지원하기 위해서는 분말 생산 인프라, 공정 혁신 및 소재 연구에 더 많은 주목이 필요합니다. 이러한 분야의 역량을 구축하는 것은 고효능, 경제성 및 확장성을 갖춘 금속 3D 프린팅 솔루션을 발전시키는 데 필수적입니다.