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텅스텐과 탄화 텅스텐을 이용한 3D 프린팅

3D printing tungsten
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볼프람이라고도 알려진 텅스텐은 모든 성분들 중에 가장 높은 용해점을 가진 희귀한 금속입니다.

텅스텐 혹은 볼프람은 일반 사람들에게는 보통 전구에 사용되는 필라멘트로 알려져 있지만, 텅스텐 그 자체나 복합재로 사용될 때에는 덜 알려진 산업용이나 의학용의 응용분야가 많습니다.

단어는 금속에 사용되어 ‘무거운 돌’을 의미하는 스웨덴어 단어에서 유래되었습니다.

텅스텐은 그 자체로는 굉장히 부드러운데, 텅스텐 합금의 경도에 도달하기 위해서는 거의 대부분의 상황에서 다른 원소와 합성해 복합재가 되어야 합니다.

탄화 텅스텐은 이러한 복합재 중에서 가장 보편적입니다.

탄화 텅스텐은 텅스텐과 탄소의 결합물입니다. 이는 결과적으로 세라믹 복합재가 됩니다.

다른 결합물의 경우에는 고속도강으로 많이 알려진 강철과, 코발트, 구리, 청동, 크롬, 철 또는 니켈이 포함됩니다. 텅스텐은 또한 하스텔로이로 알려진 니켈-몰리브덴-크롬 초합금의 일부입니다. 이런 모든 경우에 복합재는 매우 단단한 금속을 만들어냅니다.

텅스텐 그 자체로는 복합재만큼 단단하지는 않지만, 내열성이 뛰어나고 방사선 차폐 속성이 있기 때문에 원자력 분야와 의학계에서 유용하게 활용됩니다.

텅스텐은 무엇이며 탄화 텅스텐은 어디에 사용될까요?

앞선 소개 문단에서 언급했던 것처럼 텅스텐의 용해점은 3,422 °C 로 모든 금속들 중에 용해점이 가장 높습니다. 그렇기에 단단하다는 특징과 합쳐졌을 때, 경도와 내열성을 모두 필요로 하는 분야에 응용하기 좋은 금속입니다. 텅스텐 복합재는 항공 우주, 자동차, 원자력, 국방, 의료에서 레저에 이르기까지 다양한 산업에서 사용됩니다.

응용 분야의 예시로는 로켓 엔진 노즐, 단단한 표면을 관통하기 위한 무기 헤드, 내열성이 필요한 항공기용 터빈 블레이드, 톱날, 드릴 비트, 베어링, 피스톤 및 용접 장비와 같은 소형 도구입니다.

의료 산업에서는 MRI 스캔, 시준기, 방사선 차폐에 순수 텅스텐을 사용합니다.

 

Tungsten 텅스텐

3D printing tungsten

Tungsten

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텅스텐의3D 프린팅

탄화 텅스텐과 다른 복합 재료의 경도에도 단점은 있습니다. 탄화 텅스텐은 너무 단단한 재료이기 때문에, CNC나 툴링과 같은 전통적 제조 기술로는 모델을 만들기가 어렵습니다. 그렇기에 3D 프린팅은 이러한 재료의 경도로 인한 문제에 대한 해결책이 될 수 있습니다.

또, 3D 프린팅은 툴링 없이 복잡한 부품을 제조할 수 있는 기능을 제공합니다. 텅스텐 복합재 모델은 3D 프린팅을 사용하면 보다 저렴한 가격으로 빠르게 생산할 수 있습니다.

3D 프린팅으로 만들어진 부품은 매우 섬세하고 얇습니다. 100μm만큼 섬세하고 작으며, 25μm까지의 위치 정확도를 확인할 수 있습니다.

현재 순수 텅스텐과 텅스텐 복합재에 사용할 수 있는 3D 프린팅 기술에는 두 가지가 있습니다.

선택적 레이저 용융(SLM)

선택적 레이저 용융(SLM)이나 직접 금속 레이저 소결 (DMLS)은 레이저가 금속 분말을 용해 및 융합하여 3 차원 물체를 형성하는 3D 프린팅 방식입니다.

처음에는 높은 용해점으로 인해 텡스텐을 3D 프린트에 사용하기에는 몇 가지 기술적 장애물이 있었지만 이러한 문제는 극복되었습니다.

순수 텅스텐의 분말은 니켈-구리 또는 니켈-철을 사용하여 결합됩니다.

결합제 분사 방식

유명3D 금속 인쇄 기계 제조업체인 ExOne은 재료 제조업체와 협력하여 ExOne의 결합제 분사 방식 기계에 사용할 수 있는 구리-텅스텐 복합재를 개발하고 있습니다.

구리-텅스텐 복합재는 높은 내열성을 가지고 있고, 전기와 열 전도성이 높으며 낮은 열팽창성을 갖게 됩니다. 결합제 분사 방식은 SLM 방식보다 경제적이라는 장점이 있습니다. 현재는 다른 조건의 단계에서 마다, 모두 다른 분말을 사용할 수도 있습니다.

또한, 결합제 분사 방식에서는 청동-텅스텐 합금을 사용할 수 있습니다.

텅스텐의 특성

  • 3422 ° C에서 용해되며, 백금보다 높은 용해점
  • 금과 비슷하다고 볼 수 있는 고밀도 (19,25g / cm3)
  • 1650 ° C 이상의 온도에서 가장 높은 인장 강도
  • 우수한 내식성
  • 우수한 X-ray 및 감마선 흡수/차폐
  • 대부분의 산에 대한 내성
  • 생체 적합성/무독성

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