1. 3D 프린팅의 금속 강도에 관한 현황
3D 프린팅 중에 금속 분말을 층층이 녹여 경화시켜 필요한 모양을 만듭니다. 그럼에도 불구하고 복잡한 온도 구배, 빠른 냉각 및 인쇄 공정 중 층별 적층 특성으로 인해 금속의 내부 미세 구조가 기존 주조 또는 단조 기술로 달성된 것과 다릅니다. 3D 프린팅된 금속 성능과 강도에 영향을 미치는 입자 모양, 상 분포 및 미세한 결함은 이러한 변화를 가장 잘 반영합니다.
금속 재료의 강도와 연성은 오랫동안 트레이드오프되어 왔습니다. 높은 강도는 일반적으로 낮은 연성에 의해 발생하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 그러나 3D 프린팅 영역에서는 이러한 균형이 점점 더 복잡해졌습니다. 3D 프린팅은 복잡한 기하학적 모양과 미세 구조를 가진 금속 부품을 생산하여 디자인을 최적화할 수 있는 수많은 기회를 제공하지만, 프린팅 과정에서 발생하는 다양한 미세 결함과 입자 불균일성으로 인해 강도와 성능이 기존 공정 수준에 도달하기 어려운 경우가 있습니다.
2.3D 프린팅 금속 강도를 높이는 기술
연구원들은 3D 프린팅 금속의 강도를 높이기 위해 여러 가지 접근 방식을 따랐습니다.
합금 설계 최적화: 합금 구성을 변경하면 미세 구조와 금속 특성이 많이 바뀔 수 있습니다. 예를 들어, 티타늄 합금의 경우 몰리브덴(Mo)을 사용하면 상 안정성과 강도 및 연성의 균일성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 이중 기능 합금 설계를 사용하여 덴마크 기술 대학, 충칭 대학 및 퀸즈랜드 대학으로 구성된 통합 팀에서 초균질성, 고강도 및 연성을 갖춘 3D 프린팅 티타늄 합금을 얻었습니다. 연성은 26%입니다. 항복강도는 926MPa이다.
제어 방법: 프로세스 금속의 미세 구조와 품질은 레이저 출력, 스캔 속도, 층 두께 등을 포함하여 인쇄 프로세스 중에 설정된 매개변수에 의해 크게 영향을 받습니다. 이러한 요소를 최적화하면 미세 결함을 최소화하고 금속의 강도와 품질을 향상시킬 수 있습니다.
결정립의 미세구조 변화 및 미세 결정립계 강화 결정립의 형상과 형태를 개선하여 금속의 강도와 경도를 높일 수 있습니다. 예를 들어 고강도 초음파를 사용하거나, 처리 설정을 조정하거나, 이종 구조를 추가하면 등축 결정이 발달하는 데 도움이 될 수 있으므로 원주형 입자의 발달이 낮아져 3D 프린팅 금속의 강화 및 연성이 향상될 수 있습니다.
가공 후: 인쇄 후 열처리를 하면 금속의 미세 구조와 품질이 훨씬 좋아질 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 열처리는 새로운 미세 결함을 가져오거나 원래의 미세 구조를 변경할 수 있으므로 열처리 매개변수를 신중하게 선택하는 것이 필수적이라는 점을 언급해야 합니다.
3.3차원적인 금속 강도 사례 연구보다는
티타늄 합금의 고강도 및 연성: 퀸즈랜드 대학교를 포함한 호주 대학의 통합 팀이 이전에 언급한 것처럼 몰리브덴 원소를 추가하면 매우 균질하고 고강도이며 연성이 있는 3D 프린팅 티타늄 합금이 생성되었습니다. 뛰어난 기계적 품질 외에도 이 티타늄 합금은 가공 경화 능력이 뛰어나 항공우주를 포함한 고급 부문에서 사용할 수 있는 가능성을 열어줍니다.
중국과학원 금속연구소와 미국 버클리 캘리포니아대학교의 협력팀이 Net-AM 근처에 거의 기공이 없는 Ti-6Al-4V 합금을 개발했습니다. 높은 피로 저항성을 갖춘 결함 및 조직 단계별 조절의 새로운 NAMP 프로세스. 기록된 모든 재료 피로 데이터 중에서 이 합금의 인장 인장 피로 강도는 최대 비피로 강도인 978MPa에 달합니다. 이러한 성공은 내피로성 제조 분야에서 3D 프린팅 기술의 특별한 이점을 보여주고 3D 프린팅 재료의 낮은 성능에 대한 사람들의 자연스러운 지식을 변화시킵니다.
퍼듀대학교(Purdue University) 연구팀이 3D 프린팅에 적합한 초고강도 알루미늄 합금을 개발했습니다. 코발트, 철, 니켈, 티타늄과 같은 전이 금속을 알루미늄에 통합하여 나노 규모의 다층 변형 가능한 금속간 화합물을 생성함으로써 뛰어난 강도와 우수한 소성 변형 능력을 결합한 새로운 유형의 알루미늄 합금을 만들었습니다. 이 알루미늄 합금의 강도는 900MPa를 초과하므로 여러 분야에서 고강도 알루미늄 합금을 사용할 수 있는 큰 기회를 창출합니다.
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