금속 3D 프린팅 기술은 컴퓨터 지원 3D 설계를 청사진으로 사용하는 새로운 공정 기술입니다. 구성 요소의 적층 및 CNC 성형 시스템을 통해 레이저 소결, 레이저 클래딩 또는 플라즈마 급속 증착 공정을 사용하여 3차원 금속 형상을 만듭니다. 3D 프린터는 3D CAD 모델을 여러 층으로 나누고, 3D 프린팅용 금속 분무 분말이나 특수 고급 3D 프린팅용 니켈-티타늄 합금 와이어 및 기타 재료를 소결 또는 접합합니다. 그런 다음 이러한 층을 하나씩 쌓아 올리고, 다양한 링 모양을 추가하여 최종적으로 3차원 고체를 인쇄합니다.
형상 기억 합금 소재는 저온 변형 후 원래 형상을 기억할 수 있습니다. 이러한 현상을 합금 형상 기억이라고 합니다. 형상 기억 합금은 안정적인 고온 오스테나이트 상태에서 안정적인 저온 마르텐사이트 상태로 전이되는 동안 구조적 변형을 겪습니다. 상변환 온도는 20~80℃이고, 변형 온도는 0~5℃로, 조성 및 열처리를 약간 변경하여 조절할 수 있습니다. 이 중 Ti-56Ni, Ti-31Ni, Ti54-57Ni 합금은 의료 분야에서 널리 사용됩니다. 예를 들어, 인공 관절, 두개골, 천골, 늑골, 고관절, 슬개골 발톱, 골판, 고관절 못, 치아골, 혈관 스텐트 등의 생체 의료 수술용 임플란트와 기타 생체 재료에 사용됩니다. 의료 기기 및 수술용 임플란트는 3D 프린팅 재료에 대한 엄격한 요구 사항을 가지고 있습니다. 생체 역학적 관점에서 재료의 물리적 특성과 생체 적합성을 고려할 때, 성능이 충족해야 하는 주요 요구 사항은 다음과 같습니다. (2) 우수한 내식성; (3) 우수한 생체 적합성, 생체 접착성 및 골 융합성; (4) 우수한 기계적 특성, 높은 강도, 높은 안정성, 높은 피로 강도, 높은 인장 강도 및 낮은 탄성 계수. 일반적으로 3D 프린팅 다공성 표면은 재료의 탄성 계수를 감소시킬 수 있습니다. (5) 가공 성능이 우수하고, 환경친화적이며, 무독성이고, 변형성이 좋고, 성형 속도가 빠르며, 적용성이 강하고, 비용이 저렴하며, 화학 조성이 균일합니다. Ni-Ti 형상 기억 분무 구형 분말 및 필라멘트의 특수한 성능 요구 사항으로 인해 화학 조성(질량 분율)은 다음과 같이 설계되었습니다. Ni, 54.5%~57.0%; Ti는 0등급 이상의 스펀지 티타늄입니다. C, ≤ 0.05%; H, ≤ 0.050%; N, ≤ 0.050%; Co, ≤ 0.050%; Cu, ≤ 0.010%; Cr, ≤ 0.010%; Nb, ≤ 0.025%; Fe, ≤ 0.050%. 본 논문에서 소개하는 진공 유도 용광로 용융법을 이용한 니켈-티타늄 형상 기억 합금 소재 제조는 생체 의학 응용 분야의 소재 성능 요구 사항을 완벽하게 충족합니다. 니켈-티타늄 형상 기억 합금 분무 분말 및 고성능 니켈-티타늄 형상 기억 합금 와이어는 3D 프린팅 소재의 다양한 응용 분야에 따라 여러 수직 개발 분야로 확장되고 있습니다. 예를 들어, 3D 프린팅된 혈관 자가팽창 스텐트는 심혈관계에 영구적으로 이식되는 데 사용되며, 카테터를 통해 삽입되어 형상 기억 특성에 따라 펼쳐집니다. 또한, 3D 프린팅된 니켈-티타늄 형상 기억 합금 소재는 두개골, 두부골, 판, 늑골 관절 등을 제작하는 데 사용됩니다. 진공 유도 용광로 용융법으로 고성능 니켈-티타늄 형상 기억 합금 와이어를 3D 프린팅하는 핵심 기술은 니켈-티타늄 합금 원소의 비율이며, 특히 산소, 질소, 수소, 탄소와 같은 불순물 원소의 제어가 중요합니다. 수냉식 구리 도가니를 사용하여 전자기 와전류 교반 작용 하에 오염이 적고 화학 조성이 균일한 잉곳을 얻습니다. 이 잉곳을 800~900℃의 열간 압연 온도에서 직경 ϕ 6~8mm의 코일로 열간 압연한 후, 700~850℃의 회전 단조 온도에서 단조합니다. 냉간 인발 후, 가공된 와이어의 10%마다 700~850℃의 온도에서 중간 어닐링을 수행합니다. 니켈-티타늄 형상 기억 합금은 우수한 열간 가공성을 가지며 단조, 압출, 열간 압연, 회전 단조 및 인발 가공을 통해 다양한 규격의 와이어를 얻을 수 있습니다. 직경 ϕ 1.0~3.5mm의 고급 니켈-티타늄 형상 기억 합금 와이어는 3D 프린팅으로 제작됩니다.
플라즈마 급속 증착 3D 프린터를 사용하여 합금 와이어를 아르곤 가스 후드로 냉각되는 플라즈마 노즐에 공급합니다. 합금 와이어는 아르곤 분위기에서 녹고, 디지털 제어 방식의 층별 프린팅을 통해 두개골, 흉골, 갈비뼈와 같은 고체 형태를 출력할 수 있습니다. 최종 제품을 만들기 위해 약간의 연마 작업을 수행합니다.
3D 프린팅용 니켈-티타늄 형상 기억 합금 분무 구형 분말은 진공 유도 용광로 용융법으로 제조되었습니다. 50~500kg 진공 유도 용광로를 사용하여 용융했으며, 가스 분무법과 수분 분무법을 적용했습니다. 이 분무 구형 금속 분말은 레이저 클래딩 및 플라즈마 급속 증착 공정을 사용하는 금속 3D 프린터에 사용할 수 있습니다. 제조된 3D 프린팅용 분무 구형 분말의 품질 기준은 유사 재료에 대한 국가 표준을 기반으로 합니다. 현재 형상 기억 합금 분무 구형 분말의 품질에 대한 국가 표준은 제정되어 있지 않습니다. 분말의 입자 크기, 형상 및 순도는 주로 고객 요구 사항에 따라 결정됩니다. 입자 크기는 일반적으로 50~1000μm를 조립 분말, 10~50μm를 미립 분말, 0.5~10μm를 초미세 분말, 0.5μm 미만을 극미세 분말의 네 단계로 구분합니다. 화학 조성은 균일해야 하며 화학적 편석이 없어야 하고, 물리적 특성 또한 우수해야 합니다. Ni-Ti 형상 기억 합금은 최고의 형상 기억 성능을 가지며 널리 사용되고 있기 때문에, 합금 원소의 미미한 차이조차도 형상 기억 성능과 기계적 특성에 상당한 변화를 초래할 수 있습니다. 따라서 재료 제조 과정에서 합금 원소인 Ni와 Ti의 비율 및 불순물 원소인 O, N, H, C의 함량을 제어하는 것이 특히 중요합니다. 일반적으로 사용되는 비율은 Ni 함량이 54.5%~57.0%입니다. Ti-Ni 합금에서 원소 함량의 변화는 상변환 온도의 변화를 야기합니다. 질소(N) 함량(원자 분율)이 0.1% 변화할 때, As점은 약 10~20K 정도 변화합니다. 불순물 원소인 산소(O)의 특성은 질소와 유사합니다. 설계 조성은 산소 함량(질량 분율)이 0.050% 이하여야 합니다. 산소 함량이 증가하면 상변환 온도가 낮아지고, 형상 기억 성능이 저하되며, 기계적 특성이 악화됩니다. 한편, 탄소(C) 함량은 특정 범위 내에서 제어되어야 하며, 탄소 함량(질량 분율)이 0.050% 이하여야 합니다. 탄소는 용융 과정에서 쉽게 침투하므로 흑연 도가니를 사용할 때 특히 주의해야 합니다. 불순물 원소인 산소, 질소, 수소, 탄소를 적절히 제어하지 못하면 가공된 와이어 및 분무된 구형 분말에서 고온 취성, 파손, 수소 취성, 소성 감소, 화학 조성의 편석이 쉽게 발생하고, 심지어 합금 재료의 형상 기억 특성이 상실될 수도 있습니다.
