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더 강하고 저렴한 티타늄 합금을 출력하는 3D 프린터

 



(Credit: RMIT)

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3D 프린터 기술은 처음에는 플라스틱 소재로 시작했으나 현재는 금속 등 소재의 범위를 넓혀 나가면서 제조업 혁신을 불러일으키고 있습니다. 금속 3D 프린터가 주목을 받는 분야 중 하나는 우주 항공 분야입니다. 엔진 제조에서 부품 제조까지 복잡한 부품을 한 번에 출력할 수 있어 비용을 절감하고 무게도 줄일 수 있기 때문입니다. 티타늄 합금으로 제조한 3D 프린팅 부품은 실제 제트 엔진 등에서 사용되고 있습니다.

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하지만 3D 프린터에는 장점만 있는 게 아닙니다. 일반적인 출력 방법인 적층 제조 기술은 작은 티타늄 알갱이들을 레이저나 혹은 다른 방법으로 고온으로 녹여 붙이는 방식인데, 알갱이의 배치에 따라 한쪽으로는 강도가 강하지만 다른 쪽으로는 강도가 약한 문제가 있습니다. 이외에도 기존의 주물 방식과는 다른 특징들을 지니고 있습니다.

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호주 RMIT 대학의 라이언 브룩 (Ryan Brooke, an additive manufacturing researcher at Australia's RMIT University)은 이 문제를 극복하기 위해 수많은 실험과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 최적의 3D 프린팅 티타늄 합금 조합을 연구했습니다.

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연구팀은 Ti-6Al-4V 합금 (티타늄, 알루미늄, 바나듐) 처럼 기존에 널리 쓰이는 합금 조합 이외에도 티타늄-철, 티타늄-구리, 티타늄-구리-철, 티타늄-몰리브덴 (Ti-Fe, Ti-Cu, Ti-Cu-Fe, and Ti-Mo) 같은 다양한 조합이 가능하는 점을 알아냈습니다. 그리고 3D 프린팅 티타늄 합금에 영향을 주는 세 가지 주요 파라미터도 확인했습니다.

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  • Non-equilibrium solidification range(ΔTs): the temperature range over which the metal solidifies under non-equilibrium conditions.

  • Growth restriction factor (Q): the initial rate at which constitutional supercooling develops at the very beginning of solidification.

  • Constitutional supercooling parameter (P): the overall potential for new grains to nucleate and grow throughout the solidification process, rather than just at the very beginning.

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정확한 기술적 용어는 번역이 힘들지만, 제조 과정에서 열처리 및 입자의 크기에 관련된 파라미터들로 보입니다. 아무튼 이 가운데 마지막 P가 가장 중요한 인자라고 합니다.

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이렇게 새로운 조합과 파라미터를 이용해 만든 3D 프린팅 티타늄 합금은 이전보다 더 튼튼할 뿐 아니라 비용도 29%나 저렴해져 앞으로 제조업에 새로운 혁신을 불러 일으킬 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 사족이지만, 교수님인지 알았는데, 알고보니 박사과정 대학원생이라고 하시네요. 만학도이신지 궁금합니다.

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참고

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https://newatlas.com/materials/3d-printed-titanium-alloy-additive-manufacturing/

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https://www.rmit.edu.au/news/all-news/2025/jul/cheaper-titanium

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Brooke, R., Zhang, D., Qiu, D. et al. Compositional criteria to predict columnar to equiaxed transitions in metal additive manufacturing. Nat Commun 16, 5710 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60162-0

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