3D 프린팅 열교환기를 위한 금속 분말의 잠재력 활용하기

적층 제조 산업은 연평균 24.3%의 성장률[1]로 성장하고 있으며 2030년에는 전 세계에 270만 대 이상의 3D 프린팅 기기가 보급될 것으로 예상됩니다[2]. 의료 분야와 함께 항공우주 및 자동차 분야는 적층 제조 역량의 급격한 증가를 활용하는 대표적인 산업 중 하나입니다.

이러한 산업에서 3D 프린팅 기술의 새로운 응용 분야를 계속 찾아내면서 프린팅 재료의 물리적 특성은 한계에 다다르고 있습니다. 따라서 Conflux와 같은 기업들은 새로운 재료를 발견하고 금속 프린팅 파우더의 성능을 끌어올릴 수 있는 기술을 개발하기 위해 대규모 R&D 프로젝트를 진행하고 있습니다.

3D 금속 프린팅은 어떻게 작동하나요?

금속 부품을 3D 프린팅하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 모두 CAD 모델을 템플릿으로 사용하여 물리적 부품을 얇은 층으로 쌓는 동일한 기본 원리를 기반으로 합니다. 레이저 파우더 베드 융합(LPBF)은 레이저를 사용하여 금속 분말 층을 융합하는 가장 널리 사용되는 기술 중 하나입니다. 원료의 취급 및 재활용 용이성 등 여러 가지 실용적인 이유로 널리 사용되는 방법이지만, Conflux의 경우 부품 제작의 정확성이라는 이점이 있습니다.

높은 열 전달 특성으로 정확한 빌드를 얻으려면 가장 적합한 프린팅 파우더를 선택하는 것이 가장 중요합니다. 3D 프린팅에 사용할 수 있는 다양한 금속 파우더가 있지만, 모든 파우더가 3D 프린터의 열악한 환경에 대응할 수 있는 것은 아닙니다. 열교환기.

"고성능 열교환기를 위해 우리는 항상 벽과 핀을 최대한 얇게 만들기 위해 노력하고 있습니다. 는 Conflux의 적층 제조 엔지니어인 이안 포다이스 박사를 조명합니다. "우리가 다루는 두께는 분말의 입자 직경과 레이저 스폿 크기 자체와 같은 크기입니다. 따라서 10미크론 정도의 작은 오차도 우리에게 큰 문제입니다. 이는 열교환기에 넣을 수 있는 핀의 수를 줄일 뿐만 아니라 표면 거칠기에 영향을 미치고 벽 두께를 증가시켜 열교환기의 열 성능을 저하시킬 수 있습니다.

고성능 금속 프린팅 파우더의 특성

머티리얼 선택의 첫 번째 단계는 파우더마다 크게 다를 수 있는 프린팅 가능성을 이해하는 것입니다. 프린팅 가능성은 빌드 실패 없이 지오메트리를 물리적으로 프린트할 수 있는 소재의 능력으로 정의됩니다. 예를 들어 경강과 니켈 합금은 프린팅 중에 잔류 응력과 뒤틀림이 발생하여 빌드 플레이트에서 분리되어 리코터에 충돌할 수 있습니다. 다른 재료는 낮은 밀도로 인쇄되어 실패로 이어질 수 있는 구멍이 생깁니다.

고품질 빌드를 달성하기 위한 핵심은 일관된 입자 크기 분포와 최적의 조성을 갖춘 파우더를 사용하는 것입니다. 이를 보장하기 위해 Conflux는 분광 분석과 인장 바의 기계적 테스트를 통해 신규 및 재활용 분말의 구성을 추적하는 엄격한 품질 관리 절차를 따릅니다. 이를 통해 파우더 내 각 합금의 수준을 모니터링할 뿐만 아니라 재활용 중에 쌓이는 산화물 층의 양을 모니터링하여 프린팅 파라미터로 설명할 수 있습니다.

파우더가 인쇄 가능한 것으로 판단되면 인쇄된 재료의 물리적 특성을 분석하는 데 초점을 맞춥니다. 일부 열교환기에 사용되는 합금은 800°C 이상의 온도에 견딜 수 있어야 합니다. 이와 함께 다양한 냉각제가 사용되기 때문에 높은 피로 수명과 내식성을 갖춰야 합니다. 자동차, 항공우주 및 에너지 애플리케이션.

"열 성능과 관련하여 가장 중요한 속성은 강도입니다. 포디스는 설명합니다. "더 높은 강도의 소재를 사용할 수 있다면 벽을 더 얇게 만들 수 있어 열 전달 경로가 짧아지고 궁극적으로 더 높은 성능의 열교환기를 만들 수 있습니다.

"대부분의 사람들은 열전도율도 중요하다고 생각하지만, 우리가 다루는 벽 두께에서는 열전도율이 덜 중요하다는 것을 알게 되었습니다. 예를 들어 구리는 알루미늄보다 열전도율이 높지만 구리 부품을 충분히 강하게 만들기 위해 벽을 더 두껍게 만들어야 한다면 전체적으로 프리포밍 열교환기가 더 나빠지는 결과를 초래합니다. 따라서 더 얇은 벽으로 부품을 만들 수 있다면 열전도율을 희생할 수 있습니다.

적층 제조에 사용되는 금속 프린팅 파우더의 종류

스테인리스 스틸 합금

Conflux의 소재 중 하나인 316 스테인리스 스틸은 높은 내식성이 요구되는 고온 및 저온의 열악한 환경 모두에 적합한 비교적 안정적인 합금입니다. 따라서 부식성 물질과 접촉하는 엔진 부품뿐만 아니라 석유 및 가스 산업을 위한 공구 및 기계 부품을 제조하는 데 적합합니다.

하지만 상대적으로 무겁기 때문에 항공우주나 모터스포츠의 경량 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 또한 알루미늄보다 인쇄 시 뒤틀림과 잔류 응력이 더 많이 발생할 수 있습니다.

티타늄 합금

항공우주 및 모터스포츠 분야에 이상적인 매우 강하고 가벼운 소재는 티타늄, 특히 Ti64와 같은 티타늄 합금입니다. 2017년부터 Airbus는 A350 여객기의 도어에 3D 프린팅된 티타늄 샤프트를 장착했으며, 최근에는 독일에 헬리콥터와 경량 도심 항공 차량(UAV)[3]의 부품 생산을 위한 적층 제조 센터를 열었습니다. 인디카는 에어로스크린 운전자 보호 장치를 지지하는 프레임에 3D 프린팅 티타늄을 활용하고 있습니다. 또한 산화물 코팅으로 내식성을 더욱 강화할 수 있는 높은 내식성을 자랑합니다.

구리 합금

구리는 열전도율이 높아 방열판과 열교환기 같은 열 응용 분야는 물론 버스바, 유도 코일과 같은 전자 부품에 이상적입니다. 하지만 안타깝게도 대부분의 적층 제조 프린터에 사용되는 레이저 파장 유형으로는 인쇄하기 어려울 수 있습니다. 재료 제조업체들은 이러한 문제를 인식하고 구리 지르코늄 및 구리 크롬과 같은 고함량 구리 합금을 만들기 위해 합금 원소를 추가하고 있습니다. 이러한 소재는 훨씬 더 많은 인쇄가 가능하고 열전도율이 높습니다.

알루미늄 합금

AlSi10Mg와 같은 알루미늄 합금은 3D 프린팅에서 가장 일반적으로 사용되는 소재입니다. 이는 알루미늄이 다른 합금에 비해 잔류 응력 균열 경향이 낮고 응고되기 때문에 수십 년 동안 주조에 사용되어 왔기 때문입니다.

알루미늄은 티타늄보다 저렴한 대안으로 항공우주, 자동차, 모터스포츠에서 자주 사용됩니다. 에어버스나 보잉과 같은 회사는 항공기, 헬리콥터, 인공위성을 위해 3D 프린팅 알루미늄 부품을 계속 생산하고 있으며, 후자의 경우 500개 이상의 부품을 적층 제조하는 경우가 많습니다. 알루미늄은 포뮬러 1 열교환기와 포르쉐의 911 GT2 RS 모델과 같은 자동차 피스톤을 인쇄하는 데도 사용됩니다.

최근 알루미늄 합금의 인쇄성을 향상시키기 위해 AlSi10Mg보다 강도와 내식성이 높은 알루미늄 합금의 개발이 많이 이루어지고 있습니다. 이로 인해 몇 년 전에는 시장에 없던 새로운 파우더가 다양하게 출시되었습니다.

니켈 합금

인코넬 및 모넬 K500과 같은 니켈 합금은 극한의 온도에서도 강도를 유지하고 부식성이 강한 유체에 대한 내성이 있어 로켓, 가스터빈 엔진 부품 및 기타 항공 우주용 터보 기계에 적합합니다. 하지만 니켈 합금은 프린팅 과정에서 잔류 응력과 균열이 발생하는 경향이 있기 때문에 인쇄성이 문제가 될 수 있습니다. 이러한 제작 실패의 위험으로 인해 이 소재는 인쇄 비용이 비싸기 때문에 일반적으로 매우 특정한 용도로만 사용됩니다.

플라즈마 전해 산화(PEO)와 같은 코팅이 3D 프린팅 부품의 성능을 향상시키는 방법

3D 프린팅 부품의 성능을 개선하기 위한 또 다른 방법은 부품 표면에 보호 코팅을 적용하는 것입니다. 이는 알루미늄의 내식성을 높이는 데 특히 중요합니다.

"3D 프린팅 부품을 코팅하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 디킨 대학교의 부연구위원인 밀라드 라가에이 박사의 설명입니다. '가장 일반적인 방법은 페인팅이지만 Conflux의 열교환기처럼 복잡한 형상을 가진 부품의 경우 내부 표면을 완전히 코팅할 수 없고 복잡한 채널이 막혀 열 전달이 저하될 위험이 있습니다.'

또한 페인트는 고온을 견디지 못하거나 필요한 내화학성을 제공하지 못해 성능 저하, 잠재적 오염, 성능 저하를 초래할 수 있습니다.

다른 전기 화학 코팅 공정으로는 양극 산화 처리와 유사한 방식으로 작동하는 플라즈마 전해 산화(PEO)가 있지만, PEO 공정에서는 전류가 훨씬 더 높습니다. 부품을 전해질 욕조에 담그고 이 전해질에 고전압을 일정한 전류로 통과시킵니다. 이 고전압에서 부품 표면에 플라즈마가 생성되어 미세 아크 산화가 발생합니다. 그 결과 표면에 얇은 산화물 층이 형성되어 부품을 부식으로부터 보호합니다.

'아노다이징은 일반적으로 알루미늄 부품에 적용되며 산성 전해질을 사용하여 부식에 강하고 경화된 표면층을 형성합니다.'라고 라해이는 이어서 말합니다. '안타깝게도 이러한 전해질은 환경 친화적이지 않으며 열교환기 내의 섬세한 지느러미에 필요한 날카로운 모서리와 모서리를 제대로 코팅하기 어렵습니다.'

양극산화는 적층 가공에 일반적으로 사용되는 고실리콘 합금을 비롯한 다양한 알루미늄 합금에 적합하지 않으며, 날카로운 모서리와 같은 특정 형상에 균열이 생기는 등의 결함이 발생할 수 있습니다. PEO는 기하학적 특징에 관계없이 훨씬 더 많은 합금 유형을 견고하고 고밀도의 표면으로 코팅할 수 있으므로 이러한 단점이 없습니다.

플라즈마 전해 질화(PEN)는 어떻게 작동하나요?

알루미늄 부품의 부식 방지 부족 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다, Conflux는 디킨 대학교와 협력하고 있습니다. 플라즈마 전해 질화(PEN)라는 새로운 유형의 PEO 공정을 개발했습니다. 플라즈마 질화라고도 하는 PEN은 강철을 비롯한 다양한 금속에 표면 경도와 내마모성을 향상시키기 위해 사용되는 표면 개질 기술입니다. 질소가 포함된 환경(즉, 전해질)에서 플라즈마를 사용하여 금속 표면에 질소 이온을 도입하는 방식입니다.

"초기 연구 결과, 기존 양극산화 기술을 사용하면 30분이 걸리던 부품 코팅을 단 몇 분 만에 완료할 수 있습니다. 이 빠른 공정은 필요한 에너지와 화학 물질의 양을 대폭 줄여 훨씬 저렴한 비용으로 더 높은 성능의 3D 프린팅 부품을 제작할 수 있습니다. 포디스는 계속합니다. "우리는 플라즈마 전해 질화(PEN) 기술의 기반이 되는 질소를 함유한 새로운 코팅 전해질을 개발하여 PEO 공정을 더욱 발전시켰습니다. PEN은 PEO보다 훨씬 더 뛰어난 부식 방지 기능을 제공하는 것으로 입증되었습니다. 알루미늄 열교환기용으로 개발하기 시작했지만, 지금은 모든 알루미늄 합금에 사용할 수 있어 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 잠재력이 있다는 것을 깨닫고 있습니다.

이 혁신적인 공정의 또 다른 장점은 시간, 전류, 전압 등의 파라미터를 변경하여 코팅의 두께를 조정할 수 있다는 점입니다. 따라서 적층 제조를 통해 생성된 마이크로 채널 및 핀과 같은 복잡한 형상의 경우 유체 흐름을 방해하지 않도록 코팅을 충분히 얇게(파라미터에 따라 2~5µm 두께) 제작할 수 있습니다. 또한 부품의 특정 영역만 코팅하고 다른 영역은 코팅하지 않도록 공정을 제어할 수도 있습니다.

결론

오늘날의 적층 제조 기술은 그 어느 때보다 복잡한 형상을 프린팅할 수 있게 해줍니다. 그러나 올바른 응용 분야에 가장 적합한 파우더를 선택해야만 이러한 부품이 진정한 고성능을 달성할 수 있습니다. 디킨 대학교와 함께 개발 중인 PEN Conflux와 같은 혁신적인 공정은 열교환기 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 프린팅 파라미터 최적화와 함께 다음과 같은 모든 유형의 애플리케이션에 적합한 3D 프린팅 열교환기를 만들 수 있습니다. 로켓 경주용 자동차에.

참조

[1] A,S. 2023. 미래를 열어가다: 2030년 3D 프린팅 시장 전망 살펴보기 [온라인]. 3D 네이티브.

[2] T,A. 2022. 3D 프린팅 수 및 2020년부터 2030년까지 전 세계 적층 제조 기기, 상황별 비중 [온라인]. Statista.

[3] 2023. 3D 프린팅으로 경쟁력을 강화한 에어버스 헬리콥터스 [온라인]. 에어버스.