기능적 구배 소재 3D 프린터 — 그라디언트 금속 적층 제조
3DPTEK은 양산용 FGM 3D 프린터를 생산하는 세계 유일의 제조사입니다. 당사의 특허받은 다중 분말 SLM 기술은 단일 제작 과정에서 서로 다른 금속 합금 간의 매끄러운 전환을 가능하게 하여, 기존 제조 방식으로는 달성할 수 없었던 소재 특성을 실현합니다.
기능적 구배 소재(FGM)란 무엇인가?
기능적 구배 재료(FGM)는 기능적 구배 재료라고도 불리며, 서로 다른 특성을 가진 두 가지 이상의 재료가 하나의 연속적인 구성 요소 내에 결합된 첨단 복합재료입니다. 기존의 접합 방식과 달리, FGM은 날카로운 계면을 없애며, 재료의 조성 및 미세구조가 부품 전체에 걸쳐 점진적으로 변화합니다.
기존의 제조 공정에서는 내마모성 표면과 강인하고 연성이 뛰어난 심부를 결합하기 위해 용접, 브레이징 또는 기계적 체결이 필요하며, 이 모든 공정은 응력 집중과 파손 지점을 유발합니다. FGM은 한쪽 표면에 재료 A인 100%를, 다른 쪽 표면에는 재료 B인 100%로 부드럽게 전환되는 이음매 없는 조성 구배를 형성함으로써 이 문제를 해결합니다.
3DPTEK의 그라디언트 SLM 기술은 레이저 용융 전에 파우더 베드 전체에 증착된 두 가지(또는 그 이상) 금속 분말의 비율을 정밀하게 제어함으로써 이를 가능하게 합니다. 그 결과, 경도와 인성을 동시에 갖추고, 내식성과 열전도성을 지니며, 가볍고 강도가 높은 단일 부품을 얻을 수 있습니다.
그라디언트 금속 3D 프린팅의 작동 원리
3DPTEK의 특허받은 다중 분말 공급 시스템은 1축, 2축 또는 3축을 따라 정밀한 조성 제어가 가능하며, 이는 다른 어떤 상용 금속 3D 프린터도 따라올 수 없는 기능입니다.
다중 분말 증착
두 가지 이상의 금속 분말을 정밀하게 계량하여, 제어된 상태에서 지속적으로 변화하는 비율에 따라 적층 플랫폼 전체에 도포합니다.
구성 제어
특허를 취득한 분말 살포 메커니즘은 마이크론 단위의 정밀도로 X, Y 및/또는 Z 축을 따라 매끄러운 조성 구배를 형성합니다.
선택적 레이저 용융
500W IPG 파이버 레이저는 다중 분말 혼합물을 원자 하나하나, 층 하나하나씩 선택적으로 용융하여 완전히 치밀한 연속 금속 부품을 만들어 냅니다.
이음매 없는 그라데이션 부분
용접도, 이음매도, 접착제도 없습니다. 단일 공정으로 제작된, 공간적으로 변화하는 재료 특성을 지닌 하나의 연속적인 부품일 뿐입니다.
그라디언트 금속 3D 프린팅이 중요한 이유
그라디언트 금속 적층 제조 기술을 통해 엔지니어들은 공간적으로 최적화된 특성을 지닌 부품을 설계할 수 있게 되었으며, 이는 균질한 소재 설계에서 벗어난 패러다임의 전환을 의미합니다.
레이어가 아닌 그라데이션
이산적인 재료 경계면 대신 연속적인 성분 변화가 이루어짐으로써, 기존의 접합 방식에서 발생하는 응력 집중 현상이 제거됩니다.
하나의 구성 요소, 다양한 특성
접촉 부위에서는 내마모성이 뛰어나고, 노출된 부위에서는 내식성이 뛰어나며, 하중을 지탱하는 부위에서는 강도가 뛰어난 — 이 모든 특성을 하나의 일체형 부품에 모두 갖추고 있습니다.
용접 부위가 없으니 고장도 없다
브레이징, 용접 및 기계적 체결을 없앱니다. 이종 금속 간의 부식이 발생하지 않습니다. 접합부에 응력 집중 현상이 없습니다. 오직 하나의 연속적인 재료 시스템으로 구성됩니다.
연구개발 가속화
단일 빌드로 전체 조성 범위를 테스트하세요. 새로운 합금 시스템을 몇 달이 아닌 며칠 만에 검증하세요. 양산으로 확대하기 전에 소재 혁신의 위험을 최소화하세요.
그라디언트 메탈 3D 프린터 시스템
기능적 구배 소재 제조를 위한 두 가지 양산형 플랫폼입니다. 두 시스템 모두 500W IPG 파이버 레이저, 개방형 소재 아키텍처, 특허받은 다중 분말 공급 기술을 갖추고 있습니다.
검증된 구배 소재 조합
3DPTEK 그라디언트 시스템은 산업적으로 중요한 다양한 합금 쌍에 걸쳐 성공적인 전환을 입증했습니다. 각 조합은 미세구조 분석 및 기계적 시험을 통해 검증되었습니다.
Ta-Ti 합금 구배
높은 방사선 불투과성과 골유착성을 동시에 요구하는 생체의학용 임플란트를 위한 탄탈륨-티타늄 상전이.
CoCrMo → IN718
내마모성에서 고온 강도로의 전환이 필요한 항공우주 부품용 코발트-크롬에서 인코넬 718로의 그라디언트.
SS316L → CoCrMo
해양 및 화학 처리 분야에 사용되는 부식 방지용 스테인리스강에서 내마모성이 뛰어난 코발트-크롬 합금으로 전환되고 있다.
연마용 강재 + 니켈 기반 합금
고온 내식성이 요구되는 원자로 부품용 니켈 초합금을 함유한 내마모성 공구강.
알루미늄 + 강철 그라데이션
경량 알루미늄에서 고강도 강재로 전환되고 있는 선박 부품은 경량화와 구조적 무결성을 동시에 요구합니다.
2D 그라데이션 분말 배치
X축과 Y축의 조성 제어를 동시에 가능하게 하는 2단계 2차원 구배 첨가제 분말층 적층 방식.
AFS-M120X 및 AFS-M120XT — 사양
두 모델 모두 동일한 정밀 플랫폼을 공유합니다. AFS-M120XT 모델은 수직 그라데이션 기능과 더 높은 용량의 빌드 탱크를 갖추고 있습니다.
| 매개변수 | AFS-M120X | AFS-M120XT |
|---|---|---|
| 그라디언트 함수 | 수평 그라데이션 (X축) | 수평 + 수직 (X/Y/Z) |
| 탱크 치수 (길이×폭×높이) | 120×120×150 mm | 120×150×150 mm |
| 장비 크기 (길이×폭×높이) | 1532×1390×1830 mm | |
| 레이저 유형 | IPG 파이버 레이저 — 500W | |
| 성형 정밀도 | ±0.1 mm / 100 mm | |
| 성형 속도 | 2–20 cm³/h | |
| 층 두께 | 0.02–0.1 mm | |
| 최대 스캔 속도 | 6 m/s | |
| 성형 재료 | 스테인리스강 • 티타늄 합금 • 알루미늄 합금 • 금형강 • CoCr 합금 • 니켈 기반 합금 | |
| 장비 중량 | 약 1.5톤 | |
| 전원 공급 장치 | 380VAC / 50Hz / 8kW 3상 5선식 (TN-S) | |
그라디언트 금속 3D 프린팅이 변화시킨 산업
FGM 기술은 기존 야금 기술로는 해결할 수 없는 문제들을 해결합니다. 바로 이 분야에서 그라디언트 금속 프린팅이 가장 큰 영향을 미치고 있습니다.
항공우주 및 터보기계
열 차단층의 경사가 적용된 터빈 블레이드. 표면은 내산화성을, 심부는 내크리프성을 갖춘 연소실 구성품. 다중 합금 조립체를 대체하는 일체형 솔루션.
원자력 에너지
고온 강도와 전해 부식 저항성을 동시에 요구하는 원자로 구성품입니다. 심양 자동화 연구소에서 원자력 용도로 적합성을 검증받았습니다.
해양 및 조선
해군 함정용 경량 알루미늄-강철 그라데이션 구조물. 뛰어난 내식성과 구조적 안정성을 겸비하고 있습니다. 란저우 공과대학교에서 검증되었습니다.
의료용 임플란트
내마모성 관절면과 골유착성 골접촉 부위를 갖춘 생체적합성 구배 구조 장치. Ta-Ti 및 CoCrMo-Ti 구배 시스템.
금형 및 다이캐스팅
가공 표면에서 고경도 공구강으로 경도 등급이 점차 높아지는 고열전도율 구리 재질의 컨포멀 냉각 다이. 사이클 시간과 공구 수명이 획기적으로 개선되었습니다.
재료 연구
고속 합금 스크리닝. 단 한 번의 제작으로 전체 조성 라이브러리를 출력합니다. 신소재 개발 기간을 수년에서 수주로 단축합니다.
연구 사례 연구
3DPTEK의 그라디언트 금속 3D 프린터는 까다로운 실제 응용 분야에서 선도적인 연구 기관들의 신뢰를 받고 있습니다.
원자로 구성 요소
국가 로봇공학 핵심연구소의 개발팀은 3DPTEK의 구배형 SLM 기술을 활용해 Ta-W 및 Ta-Ti 합금의 구배형 적층 제조에 성공했는데, 이는 기존에는 어떤 단일 합금으로도 가공할 수 없었던 소재들이다. 이 획기적인 성과를 통해 중요한 원자로 환경에서 다중 소재 조립체의 사용이 더 이상 필요하지 않게 되었다.
경량 선체 구조물
선박 부품의 고체 연구 개발을 위해 2차원 알루미늄-강 합금 그라데이션 소재가 개발되었다. 이 그라데이션 전환을 통해 알루미늄 함량이 높은 표면에서는 경량화 특성을 확보하는 한편, 강 함량이 높은 표면에서는 높은 강도와 내식성을 유지할 수 있게 되었다. 이 연구는 기존 설계보다 더 가볍고, 더 강하며, 내구성이 뛰어난 차세대 해군 구조물의 길을 열어준다.
자주 묻는 질문
기능적 구배 재료(FGM)는 기능적 그라디언트 재료라고도 불리며, 서로 다른 특성을 가진 두 가지 이상의 재료가 단일 부품 내에서 결합된 첨단 복합재료입니다. 부품 전체에 걸쳐 조성 및 미세구조가 점진적으로 변화하므로, 급격한 경계면이 사라지고, 이음매, 용접부 또는 접착제 없이도 단일 부품이 서로 다른 특성(예: 한 면은 내마모성, 다른 면은 내식성)을 갖출 수 있게 됩니다.
3DPTEK의 그라데이션 SLM 시스템은 특허받은 다중 분말 공급 기술을 사용합니다. 두 가지 이상의 금속 분말이 제어된 비율로 분말 베드 전체에 정밀하게 도포된 후, 레이저를 통해 선택적으로 용융됩니다. 당사의 AFS-M120X는 수평(X축) 그라데이션 전환을 구현하는 반면, AFS-M120XT는 수직(Z축) 그라데이션 기능을 추가하여 단일 제작 과정 내에서 진정한 3D 조성 제어가 가능합니다.
3DPTEK 그라디언트 시스템은 Ta-Ti 합금, CoCrMo 및 IN718(인코넬), SS316L 및 CoCrMo, 내마모성 강철 및 니켈 기반 합금, 알루미늄-강철 합금 간의 원활한 전환을 성공적으로 입증했습니다. 이 기술은 용접 가능한 금속 분말의 거의 모든 조합을 지원하므로, 신소재 개발 및 성능 최적화에 이상적입니다.
FGM 소재는 항공우주 분야(열 구배가 있는 터빈 부품), 원자력 분야(내식성 및 고온 부품), 해양 공학 분야(경량 고강도 구조물), 의료 기기 분야(생체적합성 구배 임플란트), 공구 분야(내마모성 표면과 강인한 심부를 갖춘 부품)에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 3DPTEK 시스템은 심양자동화연구소와 란저우공과대학교에서 원자력 및 해양 분야 응용에 활용되어 왔습니다.
네. 3DPTEK은 현재 양산 준비가 완료된 상용 기능적 구배 소재 3D 프린터를 제공하는 유일한 제조사입니다. 중국의 주요 연구 기관들과 협력하여 개발한 당사의 특허받은 다중 분말 공급 및 구배 제어 기술은 전 세계 적층 제조 시장에서 독보적인 위치를 차지하고 있습니다.