브랜드스토리

안녕하세요, AM 솔루션 전문 컨설팅 회사 HDC입니다.

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오늘은 이 티타늄이라는 소재에 대해 좀 더 깊이 들어가 보려고 해요. 어떤 기계적 특성이 뛰어난지, 어디에 쓰이고 있는지, 또 이 강하고도 다양한 활용성을 가진 티타늄을 중심으로 어떤 산업들이 발전하고 있는지를 함께 살펴보겠습니다.

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적층 제조(Additive Manufacturing 이하 AM), 흔히 3D 프린팅이라고 불리는 기술은 제조업계를 혁신적으로 변화시켜오고 있는 첨단 기술입니다. 특히 금속 AM은 우주항공 분야에서 큰 관심을 받고 있는데요, 소재 활용 효율이 뛰어나고 생산 주기도 짧은 데다가 후처리도 거의 필요 없을 정도로 완성도가 높기 때문이죠.

▶ 복잡한 부품도 한 번에! – 적층 제조의 진짜 강점

적층 제조(Additive Manufacturing, AM)는 디지털 모델을 기반으로 부품을 한 층씩 쌓아가며 제작하는 방식입니다.

이 과정은 복잡한 형상을 단 한 번의 공정으로 만들 수 있게 해주며, 별도의 가공 없이도 완성도 높은 금속 부품을 생산할 수 있게 해줘요.

특히 티타늄 합금이나 초내열 합금처럼 가공이 어렵고 비용이 많이 드는 소재는 기존 제조 방식으로 다루기 어려운데요,

이런 경우 AM 기술이 훨씬 효율적인 해결책이 됩니다.

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▶ 비싸고 가공이 어려운 티타늄, AM이 해답이 될 수 있습니다.

하지만 AM 기술은 설계의 유연성과 공정 효율성을 통해, 티타늄 가공 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 대안으로 주목받고 있어요.

과거에는 산소 오염과 같은 불순물 문제가 있었지만, DED(Directed Energy Deposition) 같은 기술의 발전으로

지금은 불순물 관리 수준도 훨씬 향상되었습니다.

 

▶ AM으로 만든 티타늄 부품, 더 좋은 성능을 보여주기도 합니다.

적층 제조로 출력된 티타늄 합금 부품은 기존의 압연이나 주조 방식으로 만든 부품보다 더 나은 기계적 특성을 보이는 경우가 많습니다.

그 이유는 AM 공정 중에 형성되는 독특한 미세조직(microstructure) 때문인데요, 이 구조가 부품의 강도와 내구성을 향상시켜줍니다.

이처럼 AM 기술은 티타늄 합금뿐 아니라, 가공이 어려운 다른 금속 소재들의 제조 방식에도 큰 변화를 가져오고 있어요.

한마디로, 금속 제조의 방식 자체를 바꾸는 기술로 자리 잡고 있는 셈입니다.

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▶ 티타늄의 또 다른 특징 – 열에 따라 성질이 변합니다.

티타늄은 약 882°C에서 결정 구조가 바뀌는 상변태(allotropic transformation) 성질을 가지고 있습니다.

쉽게 말하면, 고온에서 구조가 바뀌면서 열처리를 통해 원하는 물성을 조절할 수 있다는 의미예요.

또한 티타늄은 다른 원소를 잘 받아들이는 특성이 있어서, 합금 설계에 매우 유리한 금속입니다.

첨가되는 원소의 전자 수에 따라 구조 안정성이 달라지는 점도 이 소재의 흥미로운 특성 중 하나예요.

 

▶ 티타늄이 사랑받는 가장 큰 이유 – 뛰어난 내식성

티타늄과 그 합금이 특히 주목받는 이유 중 하나는 우수한 내식성(corrosion resistance) 이에요.

산소와 빠르게 반응하면서 표면에 얇고 치밀한 산화막이 생기는데, 이 산화막은 외부 물질이 침투하지 못하게 막아주는 보호막 역할을 합니다.

이 보호층 덕분에 티타늄은 산화와 부식을 동시에 방지해주며, 극한 환경에서도 오랫동안 안정적인 성능을 유지할 수 있는 금속으로 인정받고 있어요.

 

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2. Ti-6Al-4V 합금

Ti64는 티타늄 90%, 알루미늄 6%, 바나듐 4%로 구성된 티타늄 합금입니다.

이 합금은 우수한 기계적 특성, 부식 저항성, 고온 내열성을 모두 갖추고 있어 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있어요.

특히 Ti-6Al-4V는 산업용으로 가장 널리 쓰이는 티타늄 합금인데요, 전 세계 티타늄 금속 생산량의 약 절반을 차지할 정도로 사용량이 많습니다.

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이렇게 널리 사용되는 이유는 간단합니다.

기계적 강도와 부식 저항성, 내열성 등 여러 성능의 균형이 매우 뛰어나기 때문이에요.

또한 가공성도 좋아 다양한 부품 형태로 제작할 수 있으며, 열처리를 통해 성능을 조절할 수 있어 다양한 산업군에서 유연하게 사용될 수 있습니다.

 

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3. 전통적인 티타늄 가공 방식의 한계

티타늄을 전통적인 방식으로 가공하는 데는 여러 어려움이 따릅니다.

대표적으로는 효율성과 비용 효율성 측면에서의 제약이 있어요.

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예를 들어, 티타늄은 단단한 만큼 공구를 쉽게 마모시키는 성질이 있어서, 가공 시 공구를 자주 교체해야 하고 유지 비용도 높아지게 됩니다.

이러한 특성 때문에 가공 과정이 번거롭고 운영비가 크게 증가하게 되죠.

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뿐만 아니라 티타늄은 소재 자체도 비싼 편이고, 절삭이나 드릴링처럼 재료를 깎아내는 방식(subtractive process)은 불필요한 재료 손실이 많아 낭비가 커지는 단점이 있습니다.

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여기에 더해 용접이 까다롭다는 점도 문제예요.

티타늄은 산화에 매우 민감하기 때문에, 제대로 된 보호 분위기(산소 없는 환경) 없이 작업하면 쉽게 산화가 일어나요.

이로 인해 용접 공정이 더 복잡해지고, 전체 생산 비용도 함께 높아질 수 있습니다.

 

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4. Meltio를 활용한 티타늄 3D 프린팅의 장점

한편, Meltio와 같은 시스템을 기반으로 한 3D 프린팅 기술의 등장은 티타늄 제조 방식에 여러 가지 뚜렷한 이점을 제공하고 있습니다.

가장 큰 장점 중 하나는 바로 소재 낭비를 크게 줄일 수 있다는 점이에요.

기존의 절삭 가공 방식(subtractive manufacturing)은 원재료를 깎아내며 부품을 만들기 때문에 낭비가 많았지만,

3D 프린팅은 부품을 만들기 위해 정확히 필요한 양만큼의 소재만 사용합니다.

이 덕분에 더 지속 가능한, 친환경적인 제조 방식으로 평가받고 있죠.

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게다가 3D 프린팅은 기존 방식으로는 불가능하거나 매우 어려운 복잡한 형상도 제작할 수 있는 뛰어난 설계 자유도를 제공합니다.

이러한 유연성 덕분에 설계 가능성이 크게 넓어질 뿐 아니라, 여러 단계를 거쳐야 했던 제조 공정도 단순화되어 전체 비용을 절감할 수 있어요.

마지막으로 Meltio의 3D 프린팅 기술은 기존의 단조나 절삭 가공과 비교했을 때 에너지 효율이 매우 우수합니다.

따라서 더 환경 친화적이면서도 경제적인 대안으로 주목받고 있습니다.

 

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5. 전통적인 티타늄 가공 방식의 어려움

기존의 방식으로 티타늄을 가공하는 데에는 여러 가지 어려움이 따릅니다.

이러한 문제들은 제조 공정의 복잡성과 비용 증가로 이어질 수 있어요.

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⚠️ 가공이 어려운 소재

티타늄은 워낙 단단해서 공구가 쉽게 마모되고, 작업 시간이 오래 걸리는 편입니다.

하지만 와이어 필러를 사용하는 방식은 보다 경제적인 용접 방식으로, 재료 소모와 후가공 시간을 줄일 수 있는 대안이 될 수 있어요.

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⚠️ 높은 생산 비용

티타늄은 소재 자체가 비싸고, 기존 공정은 절삭과 같은 방식으로 불필요한 소재 손실이 많습니다.

반면, 적층 제조는 필요한 양만큼만 사용하는 고효율 공정이기 때문에 재료 낭비를 줄이고,

더 적은 레이저 출력으로도 빠르게 가공할 수 있어 에너지 효율 측면에서도 유리합니다.

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⚠️ 용접의 어려움

티타늄은 공기 중에 노출되면 산화가 매우 빠르게 일어나는 금속이에요.

그래서 용접할 때는 반드시 산소가 차단된 보호 분위기가 필요하며, 이로 인해 공정이 더 복잡하고 비용도 증가하게 됩니다.

 

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6. Meltio의 3D 프린팅이 똑똑한 선택인 이유

Meltio의 3D 프린팅은 전통적인 방식에서 발생하는 여러 문제를 효과적으로 해결해주는 현대적인 대안이에요.

구체적으로 어떤 점에서 유리한지 하나씩 살펴볼게요.

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✅ 소재 낭비 최소화

기존의 절삭 가공 방식과 달리, 3D 프린팅은 필요한 만큼만 소재를 쌓아가며 만듭니다.

필요한 만큼만 사용하는 덕분에 자재 낭비를 줄이고, 훨씬 더 효율적인 생산이 가능해요.

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✅ 더 자유로운 설계

복잡한 형상이나 정밀한 구조도 Meltio의 프린팅 기술이라면 제작이 쉬워집니다.

이러한 설계 유연성은 더 많은 혁신을 가능하게 해주고, 기존 방식으로는 어려웠던 디자인도 실현할 수 있어요.

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✅ 생산 비용 절감

소재를 덜 쓰고, 공정도 단순화되기 때문에 전반적인 생산 비용을 낮출 수 있는 효과가 있습니다.

복잡한 후가공이나 다단계 가공 공정이 줄어드는 것도 비용 절감에 큰 도움이 되죠.

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✅ 에너지 효율까지 우수

단조나 절삭 가공과 비교했을 때, Meltio의 3D 프린팅은 필요한 에너지가 훨씬 적습니다.

이 덕분에 더 친환경적이고 지속 가능한 제조 방식으로 평가받고 있어요.

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이처럼 다양한 장점 덕분에, Meltio의 3D 프린팅은 티타늄 가공 분야의 판도를 바꾸는 기술로 떠오르고 있습니다.

효율성, 비용 효율, 친환경성까지 모두 만족시킬 수 있는 스마트한 선택이죠.

 

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7. Ti64가 사용되는 주요 산업 분야

Ti-6Al-4V, 흔히 Ti64라고 불리는 이 티타늄 합금은 다양한 산업군에서 광범위하게 활용되고 있습니다.

그만큼 활용성이 높고, 특정 산업의 니즈에 잘 맞는 성능을 제공해요.

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■ 항공우주 산업 (Aerospace industry)

항공우주 부품은 가볍지만 혹독한 환경에서도 견뎌야 하는 특성이 요구됩니다.

Ti64는 강도 대비 무게 비율이 우수하고, 피로 강도, 파괴 인성, 부식 저항성이 뛰어나 항공기 구조 부품에 이상적인 소재로 활용되고 있어요.

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■ 자동차 산업 (Automotive industry)

Ti64는 **엔진 부품(밸브, 피스톤)**과 서스펜션 시스템처럼 고성능이 요구되는 부품에 주로 사용돼요.

특히 고성능 차량에서 경량화와 내구성을 동시에 만족시킬 수 있기 때문에 선호됩니다.

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■ 에너지 산업 (Energy industry)

풍력 발전: 극한의 환경에서도 강도와 부식 저항성이 필요한 풍력 터빈 부품에 사용됩니다.

발전소: 고온에서도 견딜 수 있어, 발전기 부품이나 열교환기 등에도 적용돼요.

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■ 해양 산업 (Marine industry)

바닷물과 접촉되는 환경에서 부식은 가장 큰 문제가 되는데요,

Ti64는 우수한 내식성 덕분에 해양 구조물이나 선박 부품, 잠수 장비 등에도 적합한 소재입니다.

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■ 방위 산업 (Defense industry)

Ti64는 충격과 고온에 강하고, 내구성도 뛰어나서 군용 장비에도 폭넓게 사용돼요.

장갑차나 무기 시스템 등, 강도와 신뢰성이 중요한 부품에 적합한 소재로 평가받고 있습니다.

 

 

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8. Meltio 시스템으로 출력한 Ti64의 미세조직

적층 제조 방식으로 출력한 Ti64의 미세조직은 빠른 응고와 결정립 성장 방향성에 크게 영향을 받습니다.

단조된 Ti64가 일반적으로 등축 조직(equiaxial structure)을 가진 것과 달리, AM 방식에서는 세장형(columnar) 또는 침상형(acicular) 조직이 많이 관찰돼요.

이는 빠른 냉각 속도 때문이며, Meltio 시스템에서도 이런 특성이 뚜렷하게 나타납니다.

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✅ Meltio 출력물의 특징적인 결정 조직

Meltio 장비로 출력된 Ti64의 미세조직을 보면, 결정립 경계(grain boundary)가 뚜렷하게 구분됩니다.

이는 용융 상태에서 응고된 구조의 특징으로, 열처리 없이도 형성이 가능하다는 점이 특징입니다.

또한 출력 과정에서의 열 공급이 특정 방향으로 집중되면서, 층을 쌓아 올리는 방향으로 세장형 결정이 성장하는 경향을 보이게 됩니다.