실리콘 카바이드 3D 프린팅: 고급 세라믹 제조, 응용 분야 및 2025년 최고의 기술에 대한 완벽한 가이드

다음 3D 프린팅 프로젝트에 실리콘 카바이드를 고려하고 계신가요? 뛰어난 열적, 기계적 특성을 지닌 실리콘 카바이드 세라믹은 적층 방식에 혁신을 일으키고 있습니다.

이 포괄적인 기사에서는 탄화규소 3D 프린트에 대한 모든 정보를 제공합니다. 실제 적용 사례부터 구매 시 주의사항까지 기본적인 기술을 다룹니다.

탄화규소 : 필수 속성 및 기능

먼저 엔지니어링 재료로서 실리콘 카바이드의 중요성을 살펴보겠습니다. 그런 다음 3D 프린팅의 다양한 측면에 대해 논의해 보겠습니다.

실리콘 카바이드 세라믹의 주요 특성

• 우수한 경도: 카보런덤 실리콘 카바이드 경도는 9.5로 다이아몬드의 경도 10과 거의 같습니다. 이 경도 덕분에 절삭 공구와 연마재에 적합합니다.

• 고온 저항성: 탄화규소는 녹지 않고 극한의 열을 견뎌냅니다. 탄화규소의 용융 온도 2700°C이므로 매우 높은 온도에서 사용하기에 적합합니다.

• 열전도도: 현재 실리콘 카바이드를 반도체로 사용하는 경우가 증가하고 있습니다. 높은 SiC 열전도도 실리콘 카바이드의 경우, 120-270 W/M입니다.

• 화학적 안정성: 대부분의 산, 염기, 염에 의한 손상에 강합니다. 우수한 화학적 안정성은 화학 처리 장비로 사용하는 데 중요합니다.

• 낮은 열팽창: SiC는 열팽창 계수(4.0 × 10^-6/K)가 매우 낮아 온도 변화에도 형태가 변하지 않습니다.

• 밀도: 그만큼 SiC 밀도 일반적으로 3.1~3.2g/cm3로 강도를 유지하면서도 많은 금속보다 가볍습니다.

결정 구조와 형태

탄화규소 결정 구조에는 200개 이상의 형태(폴리타입)가 포함됩니다. 가장 흔한 것은 다음과 같습니다.

• 알파형 SiC: 6원결정의 결정구조는 가장 안정적이며 산업계에서 가장 많이 사용된다.

• 베타형 SiC:. 베타형 SiC는 1700°C 이하의 온도에서 형성됩니다. 결정 구조는 다이아몬드와 유사합니다. 베타형 SiC는 상업적으로 거의 사용되지 않습니다.

그만큼 SiC 구조 기계적 및 전기적 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 결정 패턴의 차이는 특정 응용 분야에 다양한 이점을 제공합니다.

탄화규소 세라믹 3D 프린팅 방법

여러 개의 3D 프린팅 세라믹 SiC 기반 세라믹을 개발하는 데는 여러 기술이 사용됩니다. 각 방법마다 장단점이 있습니다.

SiC(SLA)용 스테레오 리소그래피

이 공정은 광경화성 수지와 SiC 분말을 혼합하여 사용합니다. 각 단계는 다음과 같습니다.

1. SiC 분말과 감광성 폴리머의 혼합물을 만듭니다.

2. 레이저를 사용하여 수지를 경화하고 각 층의 모양을 만듭니다.

3. 가열을 통한 폴리머 제거

4. 고온(1400~2000°C)에서 가열하여 최종 세라믹 부품을 만듭니다.

SLA는 매끄러운 표면과 정교한 디테일을 제공합니다. 하지만 부품의 밀도와 최종 품질에 문제가 있습니다.

화학 증기 삼투(CVI) 통합

바인더젯 프린팅과 화학 기상 침투법을 결합한 첨단 기술을 통해 고순도 완전 결정 SiC를 구현합니다. 이 공정을 통해 열전도도는 37W/(m·K), 굽힘 강도는 297MPa, 최대 작동 온도는 1000°C에 달합니다. 이 공정은 고온 응용 분야에 필수적인 고품질 원자력 등급 소재를 제공합니다.

바인더 제팅 (SiC용)

이 기술은 다음과 같이 작동합니다.

1. SiC 분말을 얇게 펴 바르세요

2. 선택된 분말 부분에 바인더를 추가합니다.

3. 이것을 반복하여 완전한 부분을 만듭니다.

4. 열처리를 통한 후처리로 결합제 제거 및 부품 강화

바인더 제팅은 생산 속도를 높이고 성형성을 향상시킵니다. 하지만 다른 방법보다 부품 밀도가 낮아질 수 있습니다.

반응 결합 실리콘 카바이드(RBSiC)

최첨단 파우더 베드 기술을 활용하여 다이아몬드에 가까운 경도를 가진 SiC 반응성 결합 실리콘 관통부를 제조합니다. 이 공정은 언더컷 및 중공 부품 제작을 가능하게 하며, 최대 작업 온도는 1400°C를 초과하지만, 잔류 실리콘은 여전히 해결해야 할 과제입니다.

SiC용 직접 잉크 조명(DIW)

이 방법은 다음을 사용합니다.

1. 흐름 특성 제어가 가능한 페이스트형 SiC "잉크"

2. 노즐을 통해 직접 짜내고 각 층마다 구조를 형성합니다.

3. 모양을 유지하기 위한 세심한 건조

4. 최종 특성을 얻기 위한 고온 가열

DIW는 재료 낭비가 매우 적지만, 매우 세부적인 모양을 형성하는 데에는 한계가 있습니다.

SiC용 융합 필라멘트 제조(FFF)

67.6% SiC 필라멘트를 표준 FFF 프린터에서 사용하는 획기적인 접근 방식입니다. 이 방식은 일반 PLA처럼 출력할 수 있는 0.6mm 두께의 경화 강철 노즐만 필요하며, 소결 후 100% 세라믹을 생산합니다. 1.9g/cc의 밀도로 모든 개방형 아키텍처 프린터에서 세라믹 부품을 제작할 수 있습니다.

SiC 선택적 레이저 소결(SLS)

이 방법에는 다음이 포함됩니다.

1. SiC 분말을 얇게 펴 바르세요

2. 고출력 레이저를 사용하여 선택한 영역을 녹입니다.

3. 레이어별 부품 구성

4. 밀도와 표면 마감을 개선하기 위한 후처리

SLS는 복잡한 형상을 만들 수 있지만, 세라믹 부품으로 완전한 밀도를 구현하는 데는 어려움이 있습니다.

SiC 세라믹 3D 프린팅 과제

3D 프린팅 방식에는 상당한 발전이 있습니다. SiC 세라믹 최근에요. 아직 몇 가지 한계가 있어요.

기술적 과제

• 완전 밀도 달성: 이는 주요 과제 중 하나입니다. 대부분의 SiC 부품은 밀도를 달성하기 위해 추가 가공이 필요합니다. 현재 SiC 3D 프린팅 이 공정은 추가 가공 없이도 이론 밀도 95~98%를 달성합니다. 이로 인해 구조물의 기계적 특성이 저하될 수 있습니다.

• 수축 제어:  수축률에 영향을 미치는 요인으로는 온도, 압력, 입자 크기, 냉각 속도 등이 있습니다. 수축은 치수 정확도 유지를 어렵게 만듭니다. 일반적인 수축률은 15%에서 20%입니다.

• 표면 거칠기: 표면 거칠기는 또 다른 과제 중 하나입니다. 거친 표면은 매끄럽게 만들기 위해 추가 마감 처리가 필요한 경우가 많습니다.

• 내부 결함: 인쇄 및 가열 과정에서 제품에 균열과 기공이 발생합니다. 이러한 결함은 전체 구조를 약화시킵니다.

재료 과제

• 분말의 특성: SiC 분말의 품질은 입자 크기, 분포, 그리고 순도에 따라 결정됩니다. 이러한 요소들은 인쇄 품질과 최종 특성에 큰 영향을 미칩니다.

• 바인더 호환성: 바인더는 세라믹 분말을 서로 결합시키는 접착제입니다. SiC 분말과 호환되는 바인더를 찾는 것은 어렵습니다.

실리콘 카바이드 3D 프린팅의 최근 발전

R&D는 지속적으로 개선되고 있습니다 SiC 3D 프린팅 기능:

복합 가공: 3D 프린팅을 기존 가공 방식과 결합하면 훌륭한 결과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 3D 프린팅으로 초기 형상을 제작한 후, 열간 프레스를 사용하여 거의 완벽한 밀도를 얻을 수 있습니다.

새로운 혼합물: 연구진은 인쇄 및 가열 성능을 개선하기 위해 다양한 화학 물질을 사용합니다. 일부 조성물에는 필요한 처리 온도를 낮추는 첨가제가 포함되어 있습니다.

다양한 소재 인쇄: 이제 실험을 통해 SiC를 포함한 다른 세라믹을 인쇄하는 것이 가능해졌습니다. 알루미나 3D 프린팅 다양한 조합 및 금속을 사용할 수 있습니다. 특정 용도에 맞춰 맞춤형 특성을 가진 구조물을 혼합할 수 있습니다.

산업 응용 분야 및 시장 동향

3D 프린팅 실리콘 카바이드 확장 중입니다 다양한 산업:

항공우주 및 방위

• 항공기 엔진용 경량 고온 부품

• 우주선용 방열판

• 로켓 노즐 복합 냉각 채널

• 고내열성을 갖춘 레이더 전송 구조

• 질량을 줄이고 성능을 개선하는 위상적으로 최적화된 구성 요소

반응기 기술

3D 프린트 SiC는 바인더 제트 프린팅과 CVI를 결합하여 TRISO 연료 입자 봉쇄를 구현하며, 변환 반응로의 연료 매트릭스로 사용됩니다. 이 응용 분야는 강도 저하 없이 최대 2.3 dpa의 우수한 중성자 조사 저항성을 보여줍니다.

고전력 전자 응용 분야

3D 프린팅된 전도성 SiC 세라믹은 효율적인 방열이 필요한 구조용 전극 및 전기 부품에 적용할 수 있습니다. 이 소재는 넓은 밴드갭 특성으로 인해 600°C 이상에서도 전기적 신뢰성을 유지합니다.

반도체 제조

내마모성, 순도 및 열적 특성으로 인해 탄화규소는 우수한 반도체로 사용됩니다. 반도체 세라믹 산업계에서 웨이퍼 처리 장비는 SiC 부품을 사용합니다. 3D 카바이드 실리콘 카바이드와 같은 구성 요소는 다음과 같은 맞춤형 솔루션을 제공합니다.

• 웨이퍼 캐리어 및 보트

• 가스 확산 부품

• 플라즈마 저항 부품

• 실리콘 웨이퍼 가공용 맞춤형 홀더

인베스트먼트 캐스팅 혁명

SiC 몰드는 기존 소재보다 열용량이 작고 열전도도가 높아 후처리 공정이 단축되고 표면 조도가 향상되며 주조 효율이 향상됩니다. 또한, 용적이 제한된 용광로의 공간 충진 효율도 향상됩니다.

자동차 산업

열 관리 애플리케이션을 위한 내구성이 향상된 고성능 브레이크 디스크 및 자동차 클러치 부품입니다.

에너지장

• 태양 에너지 부품

• 핵연료 케이싱

• 고온 열교환기

• 발전용 터빈 부품

화학 처리

• 부식 방지 밸브 및 펌프

• 사용자 정의 반응 컨테이너

• 복잡한 내부 형상을 갖는 촉매 지지체

• 혹독한 환경용 열교환기

• 기존 방식으로는 불가능한 내부 기능을 갖춘 정적 믹서

국방 지원서

모스 경도 9.5의 개인 보호복은 둔기와 탄도 충격으로부터 탁월한 보호력을 제공합니다. 유연한 스푸잉 구조 덕분에 곰팡이 발생 없이 맞춤형 보호가 가능합니다.

비용 고려 사항 및 투자 수익률

실리콘 카바이드 3D 프린트를 사용하는 데 드는 비용과 투자 수익률은 여러 가지 요인에 따라 달라집니다.

생산량: 복잡한 부품을 소규모로 생산하는 경우 3D 프린팅 비용이 더 낮은 경우가 많습니다. 기존 제조 방식은 고가의 금형을 사용하기 때문에 비용이 많이 듭니다. 반면 대량 생산의 경우 기존 기술이 더 비용 효율적일 수 있습니다.

디자인 복잡성: SiC 3D 프린트의 진정한 가치는 복잡한 설계를 제작하는 데 있습니다. 이러한 설계는 기존 방식으로는 불가능합니다. 복잡한 냉각 채널, 내부 구조, 그리고 맞춤형 설계의 가치는 비용을 정당화합니다.

재료의 사용: 3D 프린팅은 일반적으로 절삭 기반 제조 방식보다 재료를 더 효율적으로 사용합니다. SiC 분말의 높은 가격(등급 및 순도에 따라 일반적으로 kg당 50~150달러)을 고려할 때 이는 특히 중요합니다.

ROI 드라이버

• 복잡한 형상에 대한 값비싼 툴링 제거

• 리드타임을 몇 주에서 며칠로 단축

• 고성능 구성 요소의 총 소유 비용 절감

• 특수 애플리케이션에 대한 대량 맞춤화가 가능합니다.

미래 방향

의 분야 3D 프린팅 실리콘 카바이드 계속 성장하고 있습니다:

프로세스 통합:  전체 제조 공정의 자동화와 통합을 통해 일관성이 향상되고 비용이 절감됩니다.

실시간 모니터링: 인쇄 중 고급 모니터링 기술을 통해 즉각적인 품질 관리 및 공정 변경이 가능합니다. 결함을 줄이고 부품의 일관성을 향상시킵니다.

새로운 응용 프로그램: 기술이 발전함에 따라 새로운 응용 분야가 계속 생겨나고 있습니다. 이러한 분야에서는 특히 혹독한 환경을 고려하여 맞춤형 고성능 세라믹이 필요합니다.

확장성 솔루션: 생고뱅과 같은 선도적 제조업체는 실험실 연구에서부터 본격적인 생산에 이르기까지 상업적 응용 프로그램을 연구, 개발 및 확장하기 위해 고급 바인더 분사 시스템을 사용합니다.

마지막 생각

실리콘 카바이드 3D 프린팅 복잡하고 고성능의 구성 요소를 만들 수 있습니다. 기술 세라믹 극한 환경에 적합합니다. 처리 과정의 어려움에도 불구하고 이 기술은 계속해서 발전하고 있습니다. SiC는 까다로운 산업, 반도체, 항공우주 분야에서 실용적인 선택입니다.

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자주 묻는 질문

실리콘 카바이드를 인쇄할 수 있나요?

67.6% SiC 필라멘트를 사용하여 바인더 제트, SLA, DIW 또는 FFF 방식으로 실리콘 카바이드를 인쇄할 수 있습니다. 이를 통해 고급 응용 분야에 필요한 고강도 및 고온 부품을 생산할 수 있습니다. 전기 전도성 버전도 제공됩니다.

어떤 유형의 3D 프린팅 방법이 세라믹 소재를 사용합니까?

바인더 제팅, 스테레오 리소그래피(SLA), 직접 잉크 드로잉 기술(DIT), 그리고 용융 필라멘트 제작(FFF)이 세 가지 주요 기술입니다. 이러한 기술들은 3D 프린트 세라믹 예를 들어, 탄화규소 등.

실리콘 3D 프린팅은 어떻게 작동하나요?

실리콘 3D 프린팅은 SLA 또는 압출 성형을 사용하여 부드럽고 유연한 부품을 제작합니다. 이는 단단하고 강한 부품에 실리콘 카바이드를 사용하는 것과는 매우 다릅니다.

세라믹에서 탄화규소는 어떤 용도로 사용됩니까?

탄화규소는 내열성, 내마모성, 내화학성이 뛰어난 세라믹 부품을 만드는 데 사용됩니다. 항공우주, 반도체, 에너지 시스템, 원자로, 그리고 개인용 보호 장비에 널리 사용됩니다.

탄화규소 세라믹은 어떻게 만들어지나요?

탄화규소 세라믹 SiC 분말 또는 페이스트를 적층하여 제작합니다. 이후 소결 또는 침투 공정을 통해 강도와 내구성을 보장합니다. CVI 집적 및 상압 가공을 포함한 첨단 공법을 통해 우수한 품질을 구현합니다.