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티타늄 합금의 산업 생산은 항상 품질 및 폐기물 관리와 관련된 문제로 인해 어려움을 겪어 왔습니다. 홍콩 폴리테크닉 대학교(PolyU)의 공학 과학자들은 RMIT 대학교 및 시드니 대학교와 협력하여 3D 프린팅이라고도 알려진 적층 제조를 성공적으로 사용하여 티타늄 합금 생산에서 이러한 오랜 문제를 해결했습니다. "적층 제조에 의한 강하고 연성인 티타늄-산소-철 합금"이라는 제목의 연구 결과가 최근 네이처(Nature)에 게재되었습니다.

티타늄 합금은 여러 중요한 응용 분야에서 없어서는 안 될 역할을 하는 첨단 경량 소재입니다. 티타늄 합금 및 잠재적으로 다른 금속 재료의 생산을 위한 적층 제조의 혁신적인 사용에 대한 연구팀의 발견은 비용 절감, 성능 향상 및 지속 가능한 폐기물 관리와 같은 수많은 이점을 제공합니다.

연구팀은 3D 프린팅을 통해 강력하고 연성이며 지속 가능한 새로운 티타늄 합금(α-β Ti-O-Fe 합금)을 생산했습니다. 이러한 특성은 α-β 상 티타늄 합금의 가장 강력한 두 가지 안정화 요소이자 강화제인 저렴하고 풍부한 산소와 철의 통합을 통해 달성됩니다. 새로운 티타늄 합금은 항공우주 및 해양 엔지니어링부터 가전제품 및 생체의학 장치에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 엄청난 잠재력을 보여줍니다.

1954년 공식화 이후 널리 사용된 Ti-6AI-4V 벤치마크 소재와 비교하면, 연구팀이 생산한 새로운 티타늄 합금은 비슷한 연성과 훨씬 더 높은 강도로 더 나은 기계적 성능을 보여줍니다.

주조와 같은 전통적인 제조 방법을 사용하여 새로운 티타늄 합금을 생산할 수도 있지만 결과 재료의 열악한 특성으로 인해 실제 엔지니어링에 적합하지 않을 수 있습니다. 적층 제조는 합금 특성을 개선하기 위한 기존 방법의 한계를 효과적으로 극복합니다.

일반적으로 티타늄 합금을 생산하는 데 사용되는 에너지 집약적인 Kroll 공정은 전체 스폰지 티타늄의 약 10%를 차지하는 등급외 스폰지 티타늄을 생성하므로 상당한 폐기물이 발생하고 생산 비용이 증가합니다. 적층 제조는 비등급 스펀지 티타늄을 재활용하고 폐기물을 원료로 사용하기 위한 분말로 변환함으로써 이 문제를 효과적으로 해결합니다.

2022년 Young Innovative Researcher Award 수상자이자 연구의 주요 저자인 PolyU 산업 및 시스템 공학과 조교수 Zibin CHEN 박사는 "우리의 연구는 폐기물의 10% 이상 재활용을 촉진할 수 있습니다. 금속 합금 생산 산업에서 발생하는 폐기물입니다. 이는 산업의 자재 및 에너지 비용을 크게 낮추어 환경 지속 가능성과 탄소 발자국 감소에 기여할 수 있습니다."

이 연구에서는 새로운 티타늄 합금(α-β Ti-O-Fe 합금)에 대한 적층 제조 공정-미세 구조-특성 공간을 탐색하기 위해 합금 설계, 계산 시뮬레이션 및 실험적 특성 분석을 통합합니다.

이 연구에서는 적층 제조를 통해 복잡하고 기능성이 뛰어난 금속 부품을 한 번에 생산할 수 있어 비용 절감으로 제품 개발을 가속화할 수 있다는 점을 강조합니다. 또한 전통적인 방법으로는 달성할 수 없는 독특한 구조와 구성을 가진 금속 부품을 제조하는 데 사용할 수 있습니다.

품질 개선 측면에서 적층 가공을 통해 금속 합금의 미세 구조를 조정할 수 있어 강도, 유연성, 부식 및 물에 대한 저항성이 향상됩니다. 또한, 내부 패턴이 복잡한 가벼우면서도 튼튼한 금속 부품을 제작할 수 있습니다. 이 연구 혁신은 3D 프린팅을 통해 촉진되는 전체적이고 지속 가능한 재료 설계 전략의 가능성을 열어줍니다.

이번 연구의 공동 저자이자 PolyU 산업 및 시스템 공학과 제조 공학 석좌 교수인 Keith KC CHAN 교수는 '이 연구는 3D 프린팅을 사용하는 다른 금속 합금에 대한 모델 또는 벤치마크 역할을 할 수 있습니다. 속성을 강화하고 적용성을 확대합니다. 금속 3D 프린팅은 신흥 분야이며 재료 제조에 널리 채택되기까지는 시간이 걸릴 것입니다.