목차 I II III IV 금속 3D 프린팅기술원소재용금속분말기술응용현황및소재특성금속 3D 프린팅산업발전방향
I 금속 3D 프린팅기술
3D 프린팅기술 3 차원의 CAD 데이터를활용하여소재의연속적인적층 (additive) 공정을통해 3 차원입체물을제조하는기술 기존제조업의패러다임을바꿀혁신적기술 주조, 단조, 용접, 압출, 분말야금, 사출성형 3D Printing 3D CAD data 3D printing Product 제품개발의시간단축 복잡형상구현 저비용, 원료손실저감 소비자요구충족 ( 고객의선택폭확대 )
3D 프린팅기술의분류 ASTM 규정 (ASTM F2792-12a) 에따른분류 3D 프린팅기술을모두 7 가지종류로분류 Class Materials Example Companies Vat Photopolymerization Photopolymers 3D Systems ( 미국 ), Envisiontec ( 독일 ) 등 Material Extrusion Polymers Stratasys ( 미국 ), 3D Systems ( 미국 ) 등 Material Jetting Polymers, Waxes Objet ( 이스라엘 ), 3D Systems ( 미국 ) 등 Binder Jetting Polymers, Metals, Goundary sands 3D Systems ( 미국 ), ExOne ( 미국 ), voxeljet ( 독일 ) 등 Sheet Lamination Papers, Metals Fabrisonic ( 미국 ), Mcor ( 아일랜드 ) Powder Bed Fusion Metals, Polymers EOS ( 독일 ), ConceptLaser ( 독일 ) 등 Direct Energy Deposition Metals Optomec ( 미국 ), 인스텍 ( 한국 ) 등 출처 : 인스텍 (3D 프린팅지재권심포지엄 (2014. 2. 20)
금속 3D 프린팅기술 3D 모델데이터로부터직접 3 차원형상의금속제품을신속하게조형할수있는 3D 프린팅공정 ASTM 규정에서 Powder Bed Fusion 과 Direct Energy Deposition 으로분류되는 모든 3D 프린팅기술 분류기술개요해당기술 Powder Bed Fusion Direct Energy Deposition 금속분말을편평하게깔고레이저를선택적으로조사하여금속분말을국부적으로소결또는용융시켜 2차원금속층을제작 상기의공정을반복적으로수행하여 3차원형상을조형 조형과정에서금속분말을실시간공급하고공정변수를제어하여정밀한 2차원의금속층을제작 상기의공정을반복적으로수행하여 3차원형상을조형 EOS의 DMLS ( 독일 ) ConceptLaser의 LaserCUSING ( 독일 ) Realizer의 SML ( 독일 ) SLM Solution의 SLM ( 독일 ) Phoenix의 LS ( 프랑스 ) Arcam의 EBM ( 스웨덴 ) 등 Optomec의 LENS ( 미국 ) POM group의 DMD ( 미국 ) Insstek의 DMT ( 한국 ) 등 RP Powder Bed Fusion Direct Energy Deposition Rapid Tooling SLS (Selective Laser Sintering) 2014. 2 특허만료 SLM (Selective Laser Melting) 출처 : 인스텍 (3D 프린팅지재권심포지엄 (2014. 2. 20)
금속 3D 프린팅기술 정교한부품제작에유리 대량생산용이 고가의특수분말사용 기공, 균열발생 이종소재사용불가능 이종소재사용가능 상용소재사용가능 자유곡면조형가능 대량생산불가능 정밀도낮음
II 원소재용금속분말기술
3D 프린팅수요업체의요구 고가장비 : 9 억 ~ 30 억 ( 금속 3D 프린터 ) 지역거점 3D 프린팅제조혁신센터 - 산업부 : 3 개소 (2015) 7 개소 (2017) - 미래부 : 4 개소 (2015) 금속 3D 프린터보급대수증가 - 190 여대 (2012) 250 여대 (2014) 고가소재 : 20 만원 /kg ~ 200 만원 /kg 소재종류의제한 분말소재의저비용제조기술 - 수 ~ 수십만원 /kg 다양한다원계합금분말소재개발 - 수요자요구맞춤형소재 연구개발필요
국내외현황분석 ( 금속 3D 프린팅 ) 해외 : TRL 9 유럽과미국을중심으로상업화, 핵심특허만료 국내 : TRL 7 금속용 3D Printer 업체시장진입 (Insstek 등 ) Key Tech. 해외 : TRL 6 국내 : TRL 3 제품설계 (CAD/E/M), 공정해석 (FEM) 기술보편화 FEM 등해석관련기반기술경험 해외 : TRL 3 국내 : TRL 2 기존분말회사에서고가분말전량수입 (Ti : $450/kg) 극미세구형금속분말제조기술 (KIMS) 3D Printing 현재이슈 System 은핵심특허만료되었으나파생공정특허에의해제한적 저가의 3D 프린트용금속분말개발요구급증 (3D 프린터장비업체 ) 최근국내제조가공및부품업체의관심과수요급속히증가
3D 프린팅기술개발로드맵 2014 년 11 월 25 일 3D 프린팅 10 대핵심활용분야 스마트금형 맞춤형개인용품 맞춤형치료물 Ti alloy Co-Cr 세라믹 고분자 치과용의료기기 3D 프린팅콘텐츠유통서비스 인체이식의료기기 Ti alloy 세라믹 고분자 3D 프린팅디자인서비스 SUS 세라믹 고분자 발전용부품 Ni alloy Ti alloy 세라믹 공구강 /SUS Al alloy 고융점금속 세라믹 수송기기부품 Al alloy Mg alloy 복합재료 2020 개발완료 고분자 귀금속 고융점금속 3D 전자부품 고분자 복합재료 3D 프린팅기술로드맵 : 15 대전략기술과부합 - 생체적합성소재 - 맞춤형금속분말소재및공정기술 - 세라믹소재및공정기술
3D 프린팅금속소재의문제점 3D 프린팅용소재는장비업체에서독점적으로고가에공급 ( 예 ) SUS316L 분말 분말사출성형용 25,000원 /kg 3D 프린팅용 250,000원 /kg SUS316L Volume 100% Mean Median 49.48 μm 46.71 μm Co-Cr Volume 100% Mean Median 20.90 μm 20.41 μm
기존 3D 프린팅소재의문제점 금속 3D 프린팅용분말공급업체 - 유럽 : Hoeganaes ( 스웨덴 ), Sandvik-Osprey ( 영국 ), LPW Tech. ( 영국 ) - 북미 : Carpenter Powder Products ( 미국 ), AP&C ( 캐나다 ) 소재 Fe alloy Al alloy Mg alloy Ti alloy Ni/Co alloy 고융점금속세라믹 다원계합금조성 저비용대량생산 기술적제한 고반사율 / 고열전도도 산화문제 낮은비등점 (< 1000 o C) 에따른증발 폭발적산화 고융점에따른분말제조어려움 산화문제 저점도에따른분말내부기포존재 낮은치밀화도 고융점에따른분말제조어려움 낮은인성 ( 조형시크랙발생 ) 고출력열원필요 낮은분말충진율에따른저밀도 후속소결치밀화공정이필요 3D 프린팅공정에최적화된분말소재개발이선결조건 - 조형공정에따른분말특성제어 - 조형공정시스템최적화 - 최적후처리공정개발 기존제조가공산업에적용및확대
금속 3D 프린팅용소재의문제점 ( 폴리머제외 ) 원소재종류의제한 : SKD61/11, Ti 합금, Co-Cr 합금, 세라믹일부 다양한금속 ( 합금 ), 세라믹, 복합재료원소재개발이필수 고가의원소재가격 : $1,000~3,000/kg $ 10 ~ 300/kg 저가의원소재제조기술개발 : 분말, 와이어등 분말특성제어 : 원소재에초점을둔 3D 공정제어기술개발 복잡형상구현 : 제품의형상제어 OK!! 기존주 / 단조, 압출, 다이캐스팅, 용접, 분말야금, 사출성형에비해월등 단, 표면조도제어기술필요 : Finishing free 제품 ( 부품 ) 의물성 : 기존소성가공제품의미세구조구현이가능? - Texture - 이방성집합조직 - 기공구조및기공분포 ( 다공체 ) - 모재와의접합성및조직균질성 ( 용접재 ) - 편석및석출물제어 : 분산강화제 ( 복합재료 ) - 비정질상 3D 프린팅용후처리공정기술추가필요 : 열처리, 표면연마, 도금등
3D 프린팅금속소재의이슈 소재사용에대해장비업체가엄격히제한 : 바코드인식시스템 : 자사공급소재가아니면구동불가 : 투입량과배출량을엄격히규제 국내장비업체의경우에도유사한형태를유지할것으로예상 재료선택의유연성이장비선정의주요기준 2013 년미국 3D Systems 사전체매출중소재비중이 50% 이상첫돌파 향후소재비중이더욱증가할것으로예상됨 기존 PC 용프린터및용사기사업전략과유사 메이커 + 고객 저가전략 고가전략
3D 프린팅용소재
3D Printing 소재개발시장전망 - 3D 프린팅용소재시장 : $4.2 억달러 (2012) - 소재분야연간성장률 : 29% $25 억 (Source : Wohlers Report 2013) (3D Printing Industry Report, 2013) $19 억 $9 억 $4.2 억 12 15 18 19
3D 프린팅용금속분말소재시장전망
3D 프린팅용금속소재시장 Market Share of Volume by Metals in 2014 Al alloys Ti alloys Steels SUS Ni alloys Ref. 3D Printing of Metals 2015-2025 (IDTechEx, 2015)
3D 프린팅용금속소재시장전망 Ti Steel Ti Ni Ni Steel Ref. 3D Printing of Metals 2015-2025 (IDTechEx, 2015)
Yield Strength (MPa) 3D 프린팅용금속분말소재 Mechanical properties of metallic materials - minimum values from data sheet 1800 1600 1.2083 1.2709 1 1400 1.2709 1 1200 1000 Ti6Al4V ELI 1.4540 1 1.4540 1 Ti6Al4V 1 Inconel 718 1.2709 1 800 600 400 200 0 Ti6Al4V 1 TiAl6Nb7 1.4542 1.4404 1 CoCr 2.4723 1 CoCr 2.4723 1 1.4404 1 AlSi10Mg 1 Hastelloy X Inconel 625 AlSi12 AlSi7Mg AlSi10Mg 1 0 100 200 300 400 500 600 Hardness Vickers (HV) 1 Different machine manufacturer
3D 프린팅용원료금속분말특성
3D 프린팅용금속분말제조 : Gas Atomizing 수평식가스분사장치 : 저융점금속에적합 수직식가스분사장치
3D 프린팅용금속분말제조 : Gas Atomizing 동일한조건하에서분사가스와류의영향 용해온도및가스압의영향
3D 프린팅용금속분말제조 : Water Atomizing Induction furnace Tundish High pressure Water jets Atomizing chamber Powder Collection In a centrifuge water atomization Powder D50 : 25-150 μm
3D 프린팅용금속분말제조 : Centrifugal Atomizing Rotating electrode process 원심분무장치
3D 프린팅용금속분말제조 : Centrifugal Atomizing 분말형상 회전속도에따른분말크기변화
3D 프린팅용금속분말제조주요공정 Gas Atomization Centrifugal Atomization d 50 = 30-150 μm d 50 = 50-300 μm
Titanium Alloy Powder - Fine, spherical and low oxygen powder - 문제점 : 합금용해 Skull melting+ Atomization or Plasma atomization process Skull Melting gas atomizer Plasma atomizer Gas atomized Ti alloy powder D50: 30-150 μm Wire Feed Plasma Atomization Process D50 : 5-80 μm
III 응용현황및소재특성
금속 3D Printing 응용 냉각수로금형 사례 : 다이캐스팅금형코어사례 ( 자동차고압변속기케이스 ) - [ 기존의문제점 ] 복잡한형상으로인한인서트금형의과열, 알루미늄소착, 제품표면이거침 - [ 개선효과 ] 형상부의전면냉각으로소착억제 ( 생산량 : about 34,000 shots) 제품형상부의표면광택 알루미늄제품의표면칠층 ( 급냉조직 ) 의두께증가 : 기존 1.0 mm à 1.6 mm 출처 : 인스텍 (3D 프린팅지재권심포지엄 (2014. 2. 20)
금속 3D Printing 응용 부품보수 출처 : 인스텍 (3D 프린팅지재권심포지엄 (2014. 2. 20)
금속 3D Printing 응용 - 항공부품 항공기에사용되는 Bracket 제조시기존공정으로 buy-to-fly ratio of 33:1 <Electron Beam Melting> 3D Printing(EBM) : buy-to-fly ratio of 1:1 기존공정대비 50% 제조비용절감 저비용 Ti 분말제조기술확보시 80% 이상절감가능 <Ti-6Al-4V Bracket by EBM>
금속 3D Printing 응용 터빈블레이드 부품 : Turbine blade 소재 : Ti-48Al-2Cr-2Nb, Ti-45Al-8Nb-2Cr 현황 : 연구개발단계, AVIO 등산업체에서적용연구 <LPT blade> <Turbine engine> <LPT blade>
금속 3D Printing 응용 의료용부품 의료용부품 기존가공공정으로구현이힘든복잡한형상의생체용부품을 3D 프린팅으로제조 다양한인체에적합한맞춤형디자인을기반으로경제적인대응이가능해짐 - EOS의약 60여대 SLS장치로제작된치과재료는지난 6년간약 5,000만개에달함 - Arcam의 EBM장치는 Lima사에공급되어연간 10,000개이상의 Acetabular Cup* 을생산하고있음 (acetabular cup*: 인공관절의회전부에적용되는생체부품 ) 치과재료로적용된 SLS(Selective Laser Sintering) 공정 - EOS Acetabular Cup 에적용된 EBM(Electron Beam Melting) 공정 - Arcam
금속 3D Printing 응용 연료분사노즐 The LEAP engine on a rig and undergoing Testing* World s first passenger jet engine with additive manufactured fuel nozzle (GE Indiana plant, USA)* 20 여개의가공부품을용접 / 접합하여제조 3D 프린팅으로일체형제조
응용현황 - 소재특성 Mechanical properties of Ti6Al4V and Pure Ti SLM specimen (source from Fraunhofer ILT)
응용현황 - 소재특성 Mechanical properties of AlSi10Mg SLM specimen (source from Fraunhofer ILT)
응용현황 - 소재특성 Mechanical properties of SUS 316L SLM specimen (source from Fraunhofer ILT)
응용현황 - 소재특성 Mechanical properties of Inconel 718 SLM specimen (source from Fraunhofer ILT)
IV 3D 프린팅분말소재개발방향
3D 프린팅용금속분말소재기술현안및해결방안
소재개발방안 - 합금설계 수요맞춤형고유합금개발 고강도 / 고경도 / 고인성 고열전도 / 고기능 기존소재 ( 주조재 ) Beam-Matter Interaction 기반합금설계 조대입자편석 : 물성저하 제안소재 미세석출상균일분산 : 고강도 / 고특성
소재개발방안 - 가스분사공정제어 Hot gas atomizing ( 제조수율 85% 이상 ) D 50 =45 μm D 50 =80 μm CP-Ti powder 수율 85% 이상 기존분말 Powder Size SKD61 powder - 가스분사공정변수제어 : 노즐디자인, 가스종류, 가스압력, 용탕온도, 용탕노즐크기, 상챔버가압등
소재개발방안 - 가스분사유동해석및노즐설계 Hot gas atomizing ( 제조수율 85% 이상 ) 분말입도및형상제어 분말의입자성장제어 분말내부기공형성제어 분말균질성확보 가스분사분말유동해석 가스분사노즐설계 / 해석
소재개발방안 - 3D 조형체후처리공정개발 조형체의물성향상 HIP : 2 차치밀화 ( 상대밀도 99.8% 이상 ) 경도 : > 50 HRC 인장강도 : > 1000 MPa Hot Isostatic Press (HIP) 조형체열처리후물성향상
레이저스캔속도에따른조형체치밀화및미세구조변화거동 laser power: 90 W, layer thickness: 25 mm, hatch spacing: 80 mm 35 30 Image analysis Archimedes method 800 mm/s 1600 mm/s Porosity (%) 25 20 15 10 Density>98% 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Laser scanning speed (mm/s) 급냉에의해수μm이하의극미세한결정립형성평균입도 : 1.9μm경도 : 62 HRC ( 매우높음 ) 47
SUS316L Inconel 718 IPF map 200 mm/s IPF map 800 mm/s 100 mm/s 400 mm/s 1600 mm/s 200um 200um 100um GS:19.90 um GS: 36.45 um 70um 60um IQ + Phase map IQ + Phase map 200um 200um GS: 10.43um 100um 70um 60um High angle boundary map High angle boundary map Z : Build direction 100um Y : Laser direction 70um X : Grain growth direction 48
미래제조업산업 Dirty Difficult Dangerous Demand customized Dispread niche market Disabuse capitals/labor Factory of Future
Metal Powders by Gas Atomizing Tool steel powder Al-Si powder Ti powder Gas atomized Avg. size : 50 μm Gas atomized Avg. size : 25 μm HDH + plasma spheroidized Avg. size : 35 μm Fe-Ni powder SUS316L powder Sn powder Gas atomized Avg. size : 20 μm Hot gas atomized Avg. size : 12 μm Hot gas atomized Avg. size : 13 μm
Powder Fabrication Equipments Gas Atomizer : 3 sets Mini gas atomizer Gas atomizer Hot gas atomizer 1 kg/batch 5 kg/batch 25 kg/batch
Powder Fabrication Equipments Plasma Treatment System (Spheroidizing of irregular shaped powder) Vacuum Melting Furnace 30 kw Spheroidizing Nano metallic powder synthesis Surface treatment Multi composition powder 100 kg/batch Multi element raw materials Alloy design
Powder Fabrication Equipments Powder Classifier Spray Drier (3 sets) Hot Isostatic Press Jet Mill for refractory metal powders (W, Mo etc.) for post consolidation (density 99.99%T.D.)
Further Planed Equipments at 3D Printing Test Bed Center (in Changwon, Korea) Gas Atomizer (for high melting point metals) Centrifugal Atomizer (for powder shape and size control) Skull melting > 90,000 rpm for Ti alloy powder