3D 프린터를 활용한 Ti 소재의 공정최적화 연구 및 환자 맞춤형 의료부품 제조

국문 초록 (Abstract)

금속 적층 제조 기술 (Metal additive manufacturing : AM)은 기존의 금속 제조 공정과는 달리 레이저나 전자빔과 같은 열원을 이용하여 금속 분말을 선택적으로 용융시켜 제품을 제조하는 공정이다. 기존 제작공정(분말야금, 기계가공, 주조, 단조)은 복잡한 기하학적 형상의 제품을 제조하는 것이 불가능할 뿐만 아니라 가공 중 발생되는 소재의 낭비가 심한 큰 단점을 가지고 있는 반면 AM 기술은 복잡한 내부 구조를 갖는 최종 제품을 직접 제조 할 수 있고, 가공 중 발생되는 소재의 낭비율이 기존 가공에 비해 현저히 적은 장점을 가지고 있다[1,2]. 특히 AM 기술 중 전자빔 용융(Electron beam melting) 방식과 선택적 레이저 용융(Selective laser melting) 방식은 우수한 정밀도와 고밀도의 제품을 생산할 수 있는 장점을 가지고 있다[3-5]. 이러한 장점을 활용하여 환자맞춤 인체 삽입형 의료부품 및 고성능 열 교환기와 같은 의료산업 및 각종 산업분야를 포함한 매우 광범위한 분야에서 활발히 연구되고 있다[6,7].
AM 산업에서 활용되는 금속은 대표적으로 스테인리스 스틸, 티타늄, 알루미늄 등이 있다[8]. 그 중 AM 기술을 이용하여 티타늄 소재의 연구가 활발히 진행되고 있다. 티타늄 및 티타늄 합금은 높은 비강도, 우수한 생체적합성 및 높은 내부식성의 특성을 가지고 있고[9], 이러한 장점을 활용하여 생물 의학 및 항공 우주 분야에 널리 사용되고 있다. 하지만 티타늄 소재의 경우 대표적인 난삭성 소재이기 때문에, 일반적인 가공방식(선반, 밀링)의 절삭가공을 할 경우 절삭공구에 용착 현상이 쉽게 발생하며 고속가공 시 표면경화가 발생하는 등 다양한 문제점으로 가공이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 또한 고부가가치 산업인 항공/우주, 생체소재로 사용되는 제품의 경우 복잡한 형상으로 인하여 티타늄 소재 성형에 대한 어려움을 가지고 있다. 더 나아가 의료 제품으로 사용되는 Ti-6Al-4V 합금의 경우 상업용 순수 티타늄 (Commercially Pure Titanium : CP-Ti)의 비해 아주 우수한 기계적 물성치를 지니고 있지만 인체에 유해한 알루미늄과 바나듐이 유출될 수 있는 가능성이 있고[10], 특히 알루미늄은 알츠하이머 병을 유발할 수 있다고 보고되고 있다[11,12]. 이러한 문제점을 극복하고자 AM 기술을 접목하여 인체에 유해한 알루미늄과 바나듐이 포함되어 있지 않은 CP-Ti에 대한 공정개발연구가 진행되고 있다. 일반적으로 AM 기술로 제조된 CP-Ti의 기계적 특성은 국부적으로 반복되는 급속 냉각 및 가열 공정을 통해 발생하는 Thermal shock에 의해 발생된 잔류응력에 영향을 받는다[13,14]. 일부 조건에서는, 마르텐사이트 미세 조직 형성에 의해 기계적 강도를 향상시킬 수 있어[15], 주조나 단조로 제작된 Ti-6Al-4V 합금의 기계적 물성치에 버금가는 결과를 나타낼 수 있다. 따라서 CP-Ti-소재를 활용한 AM 기술이 의료 산업뿐만 아니라 광범위한 산업에서 적용되고 있다.
본 연구에서는 독성의 알루미늄, 바나듐 등이 포함되어 있지 않은 CP-Ti 소재에 대한 SLM 방식 3D 프린팅 공정최적화에 대해서 연구하였고, 이론적 에너지 밀도 값을 기준으로 공정조건을 설정하여 최적공정영역을 찾아내었다. 그리고 에너지 밀도 별로 미세구조와 상분석, 기계적 특성 분석을 하였고, 레이저 스캔 속도를 레이저 조사 거리 (Point distance: PD)와 레이저 조사 시간 (Exposure time: ET)으로 계산하는 장비 특성을 활용하여 PD, ET에 따른 미세구조를 분석하였다. 또한 도출된 최적공정조건을 바탕으로 인체 삽입형 의료부품을 적층 제조하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Selective laser melting (SLM) technique is one of the additive manufacturing processes, in which functional, complex parts can be directly manufactured by selective melting layers of powder. SLM technique has received great attention due to offering a facile part-manufacturing route and utilizing a hard-to-manufacturing material (e.g. Titanium). The SLM process allows the accurate fabrication of near-net shaped parts and the significant reduction in the consumption of raw materials when compared to the traditional manufacturing processes such as casting and/or forging. The SLM processing are typically used to stainless steel, titanium, aluminum and etc. Among them, research on titanium materials is actively promoted using the SLM. Titanium and titanium alloys are widely used in biomedical and aerospace applications due to titanium high strength-to-weight ratio, good biocompatibility, and excellent corrosion resistance. However, titanium is a typical hard-cutting material, it is difficult to process due to various problems such as the occurrence of welding phenomenon on the cutting tool and the hardening of the surface during high speed machining when the cutting process of the general machining method. Also, in the case of high value-added products such as aerospace and biomaterials, it is difficult to form titanium materials due to complicated shapes. Furthermore, Ti-6Al-4V alloys used in medical products have excellent mechanical properties compared to commercially pure titanium (CP-Ti), but the Al and V released from Ti-6Al-4V alloy is possibly toxic to the human body. In particular, Al has been suggested to induce Alzheimer's disease. Therefore, the research for using CP–Ti has been conducted in the metal additive manufacturing field. In this study, SLM 3D printing process optimization for CP-Ti material which does not contain toxic aluminum, vanadium, etc. Based on the derived optimal process conditions, the implant medical parts were manufactured. In this study, we demonstrated that the optimization of SLM 3D printing process without the toxic materials(e.g. Al, V). Also, we successfully manufactured of implant medical parts through the our optimized 3D printing process.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 3
• 2-1. Titanium 3
• 2-2. 금속 3D 프린팅 5
• 2-2-1. PBF (Powder bed fusion) 방식 8
• 2-2-1-1. 선택적 레이저 소결 (Selective laser sintering 9
• 2-2-1-2. 선택적 레이저 용융 (Selective laser melting) 11
• 2-2-1-3. 전자빔 용융 (Electron beam melting) 13
• 2-2-2. DED (Direct energy deposition) 15
• 3. 실험 방법 17
• 3-1. Titanium 조형체 제작 17
• 3-2. 에너지 밀도 20
• 3-3. 실험 공정 변수 22
• 3-3-1. 에너지 밀도 변화 23
• 3-3-2. 레이저 파워 변화 23
• 3-3-3. 레이저 속도 변화 23
• 3-3-3-1. Point distance 및 Exposure time 변화 24
• 3-4. 특성 평가 26
• 3-4-1. 분말 특성평가 26
• 3-4-2. 조형체의 정밀도, 밀도, 미세구조 및 상 분석 28
• 3-4-3. 기계적 특성분석 29
• 3-5. 최적 공정조건을 활용한 인체 삽입형 의료부품 제조 32
• 4. 결과 및 고찰 33
• 4-1. Titanium 분말 특성평가 33
• 4-2. 공정조건 변화에 따른 특성분석 35
• 4-2-1. Hatching distance (HD) 최적화를 위한 용융풀 분석 35
• 4-2-2. 에너지 밀도 변화에 따른 특성분석 38
• 4-2-3. 레이저 파워 변화, 레이저 스캔 속도 변화에 따른 특성분석 47
• 4-2-4. Point distance 및 Exposure time 변화에 따른 특성분석 50
• 4-2-4-1. Point distance 및 Exposure time 변화에 따른 표면거칠기 분석 55
• 4-3 최적 공정조건을 활용한 인체 삽입형 의료부품 제조 58
• 5. 결론 63
• REFERENCE 65
• ABSTRACT 69