3D프린팅과소재<3D프린팅용 금속분말소재의 연구 및 개발동향_금속분말의 제조방법>201702

3D 프린팅용 금속분말의 제조방법

 3D프린팅 공정에 사용되는 금속분말은 높은 유동성을 갖는 구형의 금속분말이 사용되고 있으며, 일반적으로 가스아토마이징방법을 이용하여 제조된다. 그림5와 같이 가스아토마이징방법은 금속을 고온으로 가열하여 용해시킨 후, 용탕 노즐로부터 흘러내리는 용탕흐름에 압축가스를 분사하여 용탕 흐름을 비산시켜 분말로 제조하는 방법이다. 가스아토마이징방법은 Sn, Zn, Al, Cu, Ni, Fe 등은 단일금속에서부터 Cu-Zn, Stainless steel등의 합금까지 광범위하게 제조할 수 있으며, 다양한 특성을 갖는 금속분말을 대량으로 생산할 수 있는 것이 장점이다. 또한 용탕의 분사조건을 제어함에 따라 생성분말의 특성을 자유롭게 제어할 수 있다.

 가스분사 방법은 용탕의 분무로 공기, 질소, 헬륨, 아르곤과 같은 가스를 사용하고 있으며, 용융금속이 노즐에서 급격한 가스팽창에 의해 분산됨으로서 분말로 제조된다. 장비의 설계는 용탕의 주입방식과 용해방법, 챔버의 구조에 따라 다양하나, 주요 원리는 급격히 팽창하는 가스의 에너지를 가스노즐을 통해 흘러나온 용탕 줄기에 전달시켜 작은 분말의 형태로 응고시키는 것이다. 가스분사는 불활성 가스 분위기에서 공정을 거치므로 고순도 합금분말을 제조할 수 있다. 제조되는 분말은 일반적으로 구형 형상과 10~20미크론 크기의 넓은 범위의 입도분포를 가진다.

 

 그림6에 나타낸 것은 저온 분사공정으로 수평식 가스분사 시스템을 기초하여 설계되었다. 노즐을 통과하는 고속의 가스는 하부 용탕을 관을 통해 빨아올리는 작용을 하며, 용탕을 가스가 팽창되는 영역까지 이동시킨다. 가스속도가 빠를수록 미세한 금속액적이 형성되며 이들은챔버 속을 비행하는 동안 열을 잃고 입자 상태로 고체화된다. 수평식 분사에서 가스가 필터를 통해 유출되는 동안 분말은 챔버 하부에 잔류한다. 한편, 고융점 금속의 경우, 산화를 방지하기 위해 불활성 기체와 밀폐된 챔버를 사용한다.

 그림 7에는 액체방울이 비행하는 동안의 형상변화를 나타낸 것으로 초기에는 인대(Iigament)형상이지만 점차 구형으로 형상이 변화한다. 이 때 크기가 매우 작을 경우, 응집되는 경향을 보인다. 분말의 크기는 용탕 점도, 용탕 온도, 가속력에 의해 영향을 받는다. 용탕의 온도가 액상선보다 높을수록 점성을 감소시키고, 분무 후 액적의 응고시간이 증가하여 분말이 구형화된다. 결과적으로 용탕온로를 조절하여 최종 분말의 형상을 제어 할 수 있다. 한편, 노즐 근처의 와류(Trubulence)가 발생하면 작은 입자들은 가스팽창 지역으로 다시 되돌아가게 되며 이는 조대한 분말의 주변에 위성분말(satelites)을 형성하는 원인이 된다. 그림 8에는 노즐 근처의 와류상에 의해 형성된 위성 분말을 포함하는 분말과 노즐 근처의 가스흐름을 통제하여 제조한 깨끗한 분말을 보여주고 있다. 위성분말은 유동성과 충진 특성을 해치므로 피해야 한다.

가스분사 공정 변수의 영향은 용탕으로의 에너지 전달을 이해하여야 한다. 가스출구와 용탕 사이의 거리가 짧을수록 보다 효율적인 에너지 전달이 이뤄지며, 미세한 분말을 제조할 수 있다. 또한 분사기 노즐 출구에서의 가스 속도와 용탕의 온도는 분말입도를 결정하는 중요한 공정변수이다. 그림9에는 분사압력과 용탕온도의 변화에 따른 알루미늄 분말의 입도분포를 나타낸 그래프이다. 가스의 에너지가 클수록 용탕온도가 높고 점성도가 낮아질수록 입도가 작아짐을 알 수 있다. 평균입도는 분사공정의 경험적 변수를 이용하여 나타낼수 있는데, 그 중 하나인 Weber number, We는 공정변수들 간의 상관관계를 나타낸것으로써, 가스속도 V, 가스밀도rG, 용탕의 표면에너지gM, 용탕의 인대(Iigament)지름 dL 등을 기술 할 수 있다.

 

위의 식은 대부분의 재료에 적용 가능하며, 예상된 분말의 입도는 실제 측정된 입도의 2배 이내의 값을 가진다. 이 식에서 가스와 용탕의 유동속도 비율이 중요한 변수임을 주지해야 한다. 대부분 가스분사 공정에서는 We 수,1,000이하에서 실시하며 We수가 클수록 (빠른 용융방울의 속도) 미세한 분말이 제조된다. 입도가 가스속도에 반비례한다는 점은 여러재료에서 확인하였다. 분사압력이 높고 입도가 작은 경우, 액체방울의 응고속도가 매우 빠르기 때문에 분말이 결정화되지 않고 비정질 분말이 될 수 있다.