금속분말의 입자크기가 금형의 프린팅 품질에 영향을 미치나요?

一, 입자 크기가 인쇄 품질에 영향을 미치는 방식: 여러 가지 측면에서 시너지 효과
1. 파우더가 고르게 퍼집니다. 파우더 층의 밀도는 입자의 크기에 따라 결정됩니다.
금속 3D 프린팅의 첫 번째 단계는 분말 분포이며, 분말 분포가 얼마나 균일한지는 금형의 초기 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 작은(15μm 미만) 분말 입자는 표면 에너지가 크기 때문에 서로 달라붙는 경향이 있습니다. 이로 인해 파우더 층에 공극이나 덩어리가 생길 수 있습니다. 반면, 입자가 너무 크면(53μm 이상) 흐름이 잘 되지만 최소 층 두께가 제한되어 얇은-벽 구조와 같은 미세한 특징을 만들기가 어렵습니다. 예를 들어 SLM 공정에서 입자 크기가 15~45μm인 316L 스테인레스 스틸 분말을 사용하면 분말층의 두께를 30~50μm로 유지할 수 있고 분말층의 밀도는 99.2%에 도달할 수 있습니다. 하지만 입자 크기가 이 범위를 넘어설수록 다공성은 많이 높아집니다.
입자 크기 분포의 합리성도 마찬가지로 중요합니다. 이중 모드 분포(거친 입자와 미세한 입자 혼합)를 사용하면 분말 충전 밀도가 향상됩니다. 미세한 입자가 거친 입자 사이의 공간을 채워 느슨한 충전 밀도를 10%~15% 증가시킵니다. 이렇게 하면 금형의 내부 결함이 줄어듭니다. 한 항공사는 Ti6Al4V 분말의 입자 크기 비율(D50=35μm, D90=50μm)을 개선하여 터빈 블레이드 금형의 밀도를 98.5%에서 99.7%로 높이고 피로 수명을 20% 늘렸습니다.
2. 풀 안정성: 시간이 지남에 따라 변하는 입자 크기와 에너지 흡수 사이의 균형
용융 풀은 금속 분말이 녹는 주요 부분이며, 그 안정성은 분말이 레이저/전자 빔 에너지를 얼마나 잘 흡수하는지에 따라 달라집니다. 작은 입자는 비표면적이 크고 열 흡수 속도가 빠릅니다. 그러나 너무 작은 분말(예:<10 μ m) can splash because to thermal stress concentration, which can cause porosity or incomplete fusing flaws. To thoroughly melt coarse particles, you need more energy, and not enough energy can make the layers stick together poorly. For instance, when printing with AlSi10Mg aluminum alloy, powders with a particle size of 20–50 μ m may make a stable melt pool at a laser power of 200W. However, when the particle size is>60μm에서는 부분 융합 결함 비율이 최대 15%까지 올라갑니다.
고르지 않은 입자 크기 분포는 특정 영역에서 열 전도의 불평등을 유발하여 잔류 응력 집중에 기여할 수도 있습니다. 한 연구에 따르면 넓은 입자 크기 분포(10~100μm)를 갖는 Inconel 718 분말을 프린팅 금형에 활용하면 제한된 분포(20~50μm)에 비해 잔류 응력이 30% 증가하는 것으로 나타났습니다. 이로 인해 뒤틀림 변형의 위험이 훨씬 높아집니다.
3. 표면 품질 및 정확도: 거칠기에 따른 입자 크기 직접 제어
금형의 표면 거칠기는 분말 입자의 크기에 직접적으로 비례하기 때문에 인쇄가 얼마나 잘 진행되는지 알려주는 좋은 방법입니다. 입자가 작을수록 표면이 부드러워집니다. 하지만 너무 미세하게 가루를 만들면 잘 흐르지 않고 가루가 고르게 퍼지지 않아 표면이 거칠어질 수 있습니다. 예를 들어 D50이 25μm인 316L 분말 인쇄 금형을 사용하면 표면 거칠기 Ra를 8μm 이내로 유지할 수 있습니다. 그러나 D50이 15μm인 분말을 사용하면 입자가 서로 달라붙기 때문에 Ra 값이 15μm를 초과하게 됩니다.
복잡한 구조의 금형(예: 형상 적응형 냉각 채널)의 입자 크기를 선택할 때 정확성과 사용 편의성 사이에서 절충안을 찾아야 합니다. 자동차용 금형을 제작하는 한 회사는 입자 크기가 30~60μm인 마르텐사이트 노화 강철 분말을 활용하여 최소 구경 0.5mm로 정확한 형상을 만들 수 있었습니다. 그들은 또한 수로 내벽의 거칠기 Ra가 10μm 이하인지 확인했습니다.
2, 공통 프로세스의 입자 크기 적응: SLM 및 EBM에 대한 다양한 요구 사항
1. SLM 공정: 작은 입자 크기와 높은 정확도의 결합
SLM 기술은 레이저를 에너지원으로 사용하며, 집중된 지점의 직경은 일반적으로 50~100μm입니다. 따라서 스팟의 크기에 맞는 미세한-입자 분말(15~53μm)을 선택해야 합니다. 미세한 입자는 레이저 에너지를 빠르게 흡수하여 균일한 용융 풀을 생성할 수 있지만 산화물 함유를 방지하려면 산소의 양을 150ppm 미만으로 유지해야 합니다. 예를 들어, 티타늄 합금 정형외과용 임플란트용 금형을 제작할 때 입자 크기가 20~45μm이고 산소 수준이 80ppm인 TC4 분말은 개구 공차 ± 0.02mm 및 표면 거칠기 Ra < 5μm라는 고정밀 표준을 충족할 수 있습니다.
2. EBM 프로세스: 큰 입자 크기와 높은 효율성 사이의 절충안을 찾습니다.
EBM 방식은 전자빔을 에너지원으로 사용한다. 에너지 밀도 분포 특성은 거친 입자(53–150 μm)를 녹이는 데 더 좋습니다. 거친 입자는 분말 층의 수를 줄이고 인쇄 속도를 높이며 잔류 응력을 낮출 수 있습니다. 특정 항공 엔진 회사에서는 EBM을 사용하여 니켈-기반 고온-합금 터빈 디스크 금형을 만들 때 크기가 60~105μm인 입자를 가진 분말을 선택합니다. 예열 온도 700도에서 휨 변형이 0.1mm 이내로 유지되며 인쇄 속도는 SLM보다 3배 빠릅니다.
3. LENS 공정: 입자의 크기와 분말 공급의 안정성을 일치시킵니다.
LENS(Laser Near Clean Forming) 기술은 동축 분말 공급 방식을 사용합니다. 분말 공급이 안정적인지 확인하려면 입자 크기가 105~180μm인 거친 분말을 선택해야 합니다. 거친 입자는 분말 공급 튜브가 막히는 것을 방지하는 데 도움이 될 수 있지만 불완전한 융합 결함을 방지하려면 스캔 속도(600-1000mm/s)를 올바른 수준으로 설정해야 합니다. 특정 금형 수리 회사에서는 LENS 기술을 사용하여 다이캐스팅 금형을 고정했으며, 크기가 120~150μm인 H13 강철 분말을 사용했습니다. 1000W의 레이저 출력과 800mm/s의 스캔 속도에서 수리층과 기판 사이의 금속 결합 강도는 최소 400MPa인 것으로 나타났습니다.
3,입자 크기 최적화 전략: 준비부터 후처리까지 과정을 완벽하게 제어-
1. 분말 준비: 에어로졸화와 PREP 기술 중에서 선택
가스 원자화(GA)는 가격이 저렴하고 효과가 좋기 때문에 현재 분말을 만드는 가장 일반적인 방법입니다. 하지만 위성분말(큰 입자의 표면에 달라붙는 작은 입자)이나 중공분말을 만드는 경우가 많아 인쇄 품질이 떨어진다. 플라즈마 회전 전극 원자화 공정(PREP)은 고속 회전 전극으로 금속을 녹여 구형도가 98% 이상, 위성 분말 함량이 0.5% 미만인 고품질 분말을-만들 수 있습니다. 다만, 장비가 비싸네요. 한 고급-금형 제조업체는 PREP 공정을 사용하여 만든 316L 분말의 피로 수명을 100,000주기에서 500,000주기로 향상시켰습니다.
2. 입자 크기별 스크리닝: 2-단계 스크리닝 및 그라데이션 최적화
2{0}}단계 스크리닝(예: 30μm 및 53μm 체)을 사용하여 입자 크기 분포가 좁은 분말을 얻을 수 있습니다. 거친 입자와 작은 입자가 섞일 때 발생하는 분말의 고르지 못한 퍼짐을 방지합니다. 다양한 입자 크기의 분말을 결합하면 용적 밀도를 높여 등급을 향상할 수 있습니다. 예를 들어, 10~20μm 미세 분말 20%와 30~50μm 거친 분말 80%를 혼합하면 부피 밀도를 4.2g/cm3에서 4.8g/cm3로 높일 수 있습니다.
3. 처리 후 : 표면을 열간 등압 성형 및 연마
HIP(열간 등압 성형)는 금형의 구멍을 메우고 밀도를 99.9% 이상까지 높일 수 있습니다. 연구에 따르면 HIP 처리된 Ti6Al4V 금형의 피로 강도는 처리되지 않은 금형에 비해 40% 더 높습니다. 표면을 연마하면 더욱 매끄럽게 만들 수 있습니다. 예를 들어 전해 연마 기술은 금형의 표면 거칠기를 Ra10 μm에서 Ra0.2 μm로 낮출 수 있으며 이는 고급-광학 금형 및 기타 용도에 적합합니다.