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티타늄 합금 3D 프린팅의 응용 분야 및 개발 동향
티타늄은 적층 제조에 가장 널리 사용되는 금속 중 하나로, 항공우주, 인공 관절 및 수술 도구, 경주용 및 자전거 프레임, 전자 제품 및 기타 고성능 제품에 사용됩니다. 티타늄 및 티타늄 합금은 높은 기계적 강도, 높은 강도 대 무게비, 스테인리스강보다 우수한 내식성으로 인해 다양한 산업 분야에서 높이 평가받고 있습니다. 이 소재를 사용하면 로켓과 항공기를 경량화하여 연료를 절감하고 탑재량을 늘릴 수 있습니다. 또한 스마트폰이나 VR 고글과 같은 경량 전자 제품 및 의료용 임플란트 제작에도 사용될 수 있습니다. 더욱이, 티타늄 고유의 특성과 3D 프린팅의 고유한 기능을 결합하면 그 이점은 더욱 두드러집니다. 그렇다면 3D 프린팅된 티타늄의 구체적인 용도는 무엇일까요? 일반적인 티타늄 제품에는 어떤 것들이 있을까요? 인쇄기시장에 나와있는 제품인가요?
△3D 프린팅 티타늄 부품
GE Additive의 인공 고관절, Sciaky의 팬 블레이드, Arcam Darker의 로켓 팁, 3D Systems의 티타늄 격자 부품, EOS의 티타늄 스텐트, Zenith Tecnica의 수술용 척추 임플란트
3D 프린팅 3D 프린팅은 원자재 낭비를 줄이면서 티타늄을 더욱 효율적으로 제조할 수 있도록 해줍니다. 적층 제조 기술인 금속 3D 프린팅은 일반적으로 부품 제작에 필요한 재료와 비교적 소량의 구조 지지 재료만을 사용합니다. 또한, 3D 프린팅은 내부 채널, 무게를 줄이기 위한 속이 빈 부품 또는 격자 구조 부품과 같은 복잡한 설계를 가능하게 하는데, 이는 다른 제조 방식으로는 불가능한 부분입니다. 금형이나 툴링이 필요 없기 때문에 티타늄 3D 프린팅은 환자 맞춤형 임플란트, 시제품, 연구 도구와 같은 맞춤형 부품을 비용 효율적으로 제작할 수 있습니다. 3D 프린팅을 활용한 티타늄 기술은 제조, 의료, 우주 탐사 등 다양한 분야에서 발전을 이끌어내고 있습니다.
3D 프린팅용 티타늄 합금
△2023년 파네라이는 3D 프린팅 티타늄 케이스를 장착한 서브머서블 S 브라부스 PAM01283을 출시했습니다. 오른쪽 사진은 홀틴리히스 디컨스트럭티드가 최초의 3D 프린팅 티타늄 시계를 선보인 모습입니다.
티타늄 3D 프린팅은 이미 의료 기기, 고성능 자전거, 고급 시계, 가전제품 등 다양한 제품 생산에 널리 사용되고 있으며, 혁신적이고 맞춤형 디자인을 통해 가볍지만 견고한 제품을 제공하는 것을 목표로 합니다.
● 정밀 제품 및 전자 제품
3D 프린팅은 매우 얇은 벽을 가진 복잡한 티타늄 부품을 생산할 수 있으며, 이러한 부품은 위에서 보이는 파네라이와 홀틴리히스 시계처럼 시계 케이스 제작에 자주 사용됩니다. 티타늄 합금 시계 케이스는 애플 워치 울트라에도 사용될 예정이라고 합니다.
△2023년형 Honor Magic V2 폴더블 스마트폰에 사용된 3D 프린팅 티타늄 합금 힌지 시프트 커버
2023년, 스마트폰 제조사 아너는 새로운 폴더블폰 매직 V2를 출시했는데, 이 제품은 3D 프린팅으로 제작된 티타늄 힌지 커버를 탑재하여 기존 알루미늄 버전보다 가볍고 강도가 150% 향상되었습니다. 아너는 수만 개까지 3D 프린팅이 가능한 이 작은 티타늄 부품이 제품의 내구성과 부드러운 접고 펴는 기능의 핵심이라고 밝혔습니다.
● 의료 및 치과 임플란트
△미국 오쏘픽스 메디컬(American Orthofix Medical)의 3D 프린팅 티타늄 임플란트인 콘스트럭스 미미 티 스페이서 시스템(Construx Mimi Ti Spacer System)은 2021년 미국 FDA의 승인을 받았습니다.
의료 산업에서 3D 프린팅 티타늄 임플란트는 생체 적합성과 우수한 기계적 특성, 그리고 맞춤형 다공성 구조 제작(골융합 촉진) 및 대량 맞춤 생산을 통한 환자 치료 결과 개선 덕분에 척추, 고관절, 무릎, 사지 등 다양한 분야에서 성공적으로 활용되고 있습니다. 3D 프린팅 티타늄 임플란트는 규제 승인을 받고 있으며 수요도 증가하고 있습니다. 대부분의 의료용 임플란트는 동일한 질환을 가진 다수의 환자를 대상으로 제작되기 때문에 모든 환자에게 적합한 것은 아닙니다. 특히 희귀 질환 환자는 선택에서 제외되는 경우가 많습니다. 하지만 3D 프린팅 기술을 통해 이제 개별 환자에게 특화된 임플란트 제작이 가능해졌습니다.
2023년, 영국의 한 외과의는 환자 맞춤형 3D 프린팅 티타늄 플레이트를 사용하여 이전에 골절된 손목의 변형을 교정하는 수술을 하루에 네 건이나 시행했습니다. 정형외과 전문의이자 손과 손목 분야 임상 책임자인 아크샤이 말호트라 박사는 "계획 과정이 완료되면 티타늄 분말을 사용하여 맞춤형 플레이트를 프린팅하고, 테스트를 거쳐 영국으로 배송된 후 카운티 병원에서 멸균 처리하여 수술 준비를 마칩니다."라고 설명했습니다.
△CoreLink의 3D 프린팅 티타늄 나사는 뼈 성장을 촉진하는 다공성 구조를 특징으로 하며, FingerKit 컨소시엄의 새로운 환자 맞춤형 티타늄 손가락 관절은...
2022년 인도 마니팔 병원의 의료진은 3D 프린팅 기술을 이용해 가슴에 종양이 퍼져 있는 암 환자를 치료했습니다. 일반적으로 이 정도 크기의 임플란트는 인체에 너무 무거워 견딜 수 없지만, 티타늄은 가볍고 강도가 매우 높아 250g도 채 되지 않기 때문에 체내 임플란트 제작에 이상적인 소재입니다. 3D 프린팅 임플란트 덕분에 환자는 완전히 회복하여 외부 호흡 보조 장치 없이 정상적인 생활로 돌아갈 수 있었습니다.
△Angel Cycle Works는 티타늄 3D 프린팅 기술을 통해 새로운 Heaven 자전거의 무게를 크게 줄이고 디자인을 최적화할 수 있었습니다.
3D 프린팅 티타늄은 오늘날 고성능 자전거에서 흔히 볼 수 있습니다. 크랭크, 브레이크 레버, 스템, 변속기 행어, 심지어 프레임 전체에도 사용됩니다. 티타늄은 알루미늄만큼 강하고 탄소 섬유만큼 가벼우면서도 탄소 섬유가 가진 지속 가능성 문제를 해결합니다. 자전거 제조업체인 Carbon Wasp는 최신 애프터마켓 크랭크 암 제작에 알루미늄과 탄소 섬유 대신 3D 프린팅 티타늄을 사용하는 이유를 설명합니다. Carbon Wasp는 다음과 같이 말했습니다. "카본 섬유에 무리가 가지 않도록 크랭크를 기어박스 샤프트에 고정하는 다양한 창의적인 방법을 고안해냈지만, 항상 금속 인서트가 필요했고, 이 인서트를 탄소 섬유에 접착하는 데에는 문제가 있었습니다. 수많은 질문에 대한 답을 찾기 위해 여러 차례 프로토타입을 제작한 결과, Carbon Wasp는 3D 프린팅으로 격자 구조를 채운 티타늄 크랭크가 탄소 섬유만큼 가벼우면서도 충격이 많이 가해지는 부위에서 더 강하다는 것을 발견했습니다. 프레임을 포함한 다른 많은 용도에는 여전히 탄소 섬유가 가장 좋다고 생각하지만, 다른 티타늄 부품 개발에도 이미 착수했습니다."
프레임 전체에 대해 이야기하자면, 자전거 제조업체인 Angel Cycle Works는 경량 부품 하나로 전체 티타늄 프레임을 3D 프린팅했다고 밝혔습니다. 이 프레임은 레이스 시간을 단축하고 새로운 디자인 지오메트리를 가능하게 합니다. Heaven이라는 이름의 이 새로운 슈퍼바이크는 이전 버전보다 400g 더 가볍습니다. Pilot에서 올해 출시한 또 다른 전체 티타늄 합금 프레임은 Pilot Seiren입니다. 이 로드바이크의 프레임은 전체가 티타늄으로 3D 프린팅되었으며 (세 부분으로 나뉘어짐), Pilot 측은 티타늄 3D 프린팅을 통해 라이더의 취향에 맞게 자전거를 맞춤 제작할 수 있고, 프레임에 도색이나 코팅이 필요 없다고 설명합니다.
△자전거 회사인 미토스(Mythos)는 고객에게 이 핸들바를 포함한 다양한 3D 프린팅 티타늄 부품을 제공하며, 버브 사이클링(Verve Cycling, 오른쪽)은 새로운 3D 프린팅 티타늄 크랭크를 선보입니다.
△GKN 에어로스페이스는 텍사스 공장에 새로운 대형 티타늄 3D 프린터를 추가할 계획입니다.
△NASA는 달 착륙용 로봇팔이 하나만 필요하기 때문에, 기존 제조 방식보다 3D 프린팅으로 티타늄 부품을 제작하는 것이 더 합리적입니다.
● 제조
반도체 제조업체 ASML은 웨이퍼 생산에 사용되는 티타늄 캐리어 트레이 프리폼을 단조 방식 대신 3D 프린팅 방식으로 제작하여 원자재를 64% 절감하고 생산 속도를 높이고 있습니다. 금속 적층 제조 회사인 Norsk Titanium은 직접 에너지 증착(DED) 플랫폼을 사용하여 반도체 웨이퍼 생산에 사용되는 Ti64 소재의 프리폼 약 80kg(약 176파운드)을 거의 최종 형상에 가깝게 3D 프린팅하고 있습니다.
△워싱턴 대학교에서 제작한 3D 프린팅 티타늄 합금 휠 허브 브래킷
△티타늄 분말
△워싱턴 주립대학교 금속 3D 프린팅 연구실(워싱턴 지구 풍부 물질 배치 및 연구 공동 센터)에서 티타늄으로 부품을 제작하고 있습니다.