전자빔 용융 (적층 제조 공정은 전자빔을 사용하여 금속 분말을 층별로 선택적으로 녹여 완전히 조밀한 부품을 만드는 적층 제조 공정으로, 복잡한 고성능 금속 부품을 생산하기 위해 기존 제조 방법을 뛰어넘는 기능을 제공합니다.
EBM 제조 프로세스 개요
EBM은 다른 파우더 베드 융합 기술과 유사하게 작동합니다. 이 공정은 고진공 챔버에서 전자빔이 빌드 플레이트에 얇은 층으로 펼쳐진 파우더를 선택적으로 스캔하여 녹이는 방식으로 진행됩니다. 각 층이 녹으면 빌드 플레이트가 낮아지고 표면 위로 더 많은 파우더가 긁힌 다음 전자빔이 다음 층을 녹여 융합합니다.
주요 세부 정보:
- 금속 분말로 부품을 레이어별로 제작하기
- 전자빔이 분말을 선택적으로 녹입니다.
- 진공 상태에서 진행되는 프로세스
- 빠른 용융을 위한 높은 빔 파워
- 사용된 지원 구조, 제거된 포스트 프로세스
- 전체 부품이 형성될 때까지 반복
혜택:
- 복잡한 형상을 위한 자유로운 설계
- CAD에서 직접 기능성 금속 부품 제작
- 뛰어난 기계적 특성
- 고밀도 부품, 최대 99.9%
- 기계 가공에 비해 낭비 감소
EBM은 기존 제작 방식에 비해 각도, 돌출부, 언더컷에 대한 제약이 적어 복잡한 형상을 자유롭게 제작할 수 있습니다. EBM을 통해 생산된 부품은 단조와 비슷하거나 더 우수한 기계적 특성을 제공합니다.
EBM에 사용되는 자료
EBM은 티타늄, 알루미늄, 코발트 크롬, 니켈 합금, 스테인리스강, 공구강을 중심으로 다양한 합금을 완전 고밀도 부품으로 가공할 수 있습니다.
재료:
- 티타늄 Ti64, Ti64ELI, 상업적으로 순수한 티타늄
- 알루미늄 AlSi10Mg, AlSi12, 스칼말로이
- 코발트 크롬 CoCrMo, CoCrW
- 니켈 합금 IN718, IN625, IN939
- 스테인리스강 316L, 17-4PH, 304L, 420
- 공구강 H13, D2, M2
- 기타 CuSn10, CuCr1Zr
티타늄 합금은 니켈 초합금과 함께 항공우주 부품에 많이 사용됩니다. 코발트 크롬은 의료용 임플란트에 널리 사용됩니다. 공구강 금형과 알루미늄 부품은 자동화 및 자동차에 사용됩니다. 15미크론 크기의 다양한 금속 분말을 활용할 수 있습니다.
EBM 프로세스 기능
EBM은 후처리를 거의 또는 전혀 하지 않고도 최종 사용 부품과 제품을 직접 제조하여 서비스할 수 있습니다. 몇 가지 주요 기능은 다음과 같습니다:
기하학적 복잡성
- 복잡한 격자 및 메시 구조
- 깊은 수로, 언더컷, 터널
- 얇은 벽(1mm 미만)과 섬세한 디테일
- 경량화 토폴로지 최적화
기계적 특성
- 강도 및 경도 값은 단조 금속과 같거나 그 이상입니다.
- 단조와 동등한 수준의 피로 및 내파괴성
- 0.8% 미만의 다공성을 가진 고밀도 구성 요소
정확도 및 해상도
- 부품 치수의 0.2mm 또는 2% 이내의 정확도
- 0.3mm 내외의 미세한 피처 크기
- 0.25-0.5mm의 가장 얇은 벽 두께
- 최소 기능 크기가 지속적으로 개선되고 있습니다.
표면 마감
- 약 5~9μm 거칠기의 원시 EBM 표면 마무리
- 마감 프로파일링으로 1.5μm의 거칠기를 얻을 수 있습니다.
- 미세한 연마에 사용되는 추가 프로세스
볼륨 빌드
- 상용 시스템 범위는 직경 150mm에서 최대 1000 x 600 x 500mm 빌드까지입니다.
- 더 큰 규모의 세관 시스템도 개발 중
- 최대 부품 크기의 지속적인 개선
EBM 적층 제조 공정의 단계
EBM 제조 공정은 전자빔을 사용하여 재료를 녹이고 융합하여 금속 부품을 층별로 적층적으로 설정, 준비, 제작 및 완성하는 일련의 단계로 진행됩니다.
EBM 프로세스 단계:
- 3D 모델링 부품 및 AM용 설계 최적화
- 파일을 EBM 시스템용 표준 포맷으로 변환
- 머티리얼 선택, 빌드 파라미터 설정
- 사양에 따라 금속 분말 준비
- 기계에 파우더 적재, 레벨 빌드 영역
- 파우더 레이어 펼치기, 빔으로 예열하기
- 각 레이어에 대한 해치 용융 영역, 퓨즈 금속
- 플랫폼 하단, 다음 레이어 추가
- 레이어링/멜팅을 반복하여 파트 완성하기
- 챔버에서 제거, 베이스 플레이트에서 부품 분리
- 파트에서 서포트 구조 제거
- 필요에 따라 가공, 연마, 열간 등방성 프레싱을 통한 후처리
각 소재에 최적화된 주요 공정 파라미터에는 빔 출력, 빔 속도, 해치 간격, 스캔 전략, 레이어 시간, 레이어 두께, 예열 온도 및 후처리 열처리가 포함됩니다. 이러한 설정을 조정하면 부품 밀도, 잔류 응력, 표면 마감, 미세 구조 및 기계적 특성을 조정할 수 있습니다.
전자빔 적층 제조의 장점
EBM은 비용, 성능, 효율성, 복잡성, 속성 및 지속 가능성 측면에서 기존의 감산 제작 또는 기타 적층 방식에 비해 몇 가지 강력한 이점을 제공합니다.
EBM의 장점:
- 가볍고 복잡한 지오메트리를 위한 자유로운 설계
- CAD에서 완성된 기능 부품에 이르는 간소화된 워크플로
- 복잡한 기능을 위한 툴링, 고정 장치 제거
- 최대 99.9%의 높은 금속 밀도
- 뛰어난 강도 및 경도 특성
- 중소형 볼륨을 위한 부품당 비용 절감
- 감산 공정에 비해 폐금속 발생량 감소
- 후처리 및 리드 타임 최소화
- 미세 구조 및 속성을 위한 파라미터 제어
- 높은 빔 파워로 더 빠른 빌드 속도 지원
EBM 프로세스는 혁신적인 설계 접근 방식과 복잡한 부품의 통합을 촉진하여 성능을 향상시킵니다. 특수 툴링이나 광범위한 마감 작업과 관련된 과도한 비용 없이 고밀도 최종 사용 금속 부품을 신속하게 생산할 수 있습니다.
전자빔 적층 제조의 한계
EBM은 장점과 함께 프로덕션 애플리케이션에 대한 적합성을 결정할 때 고려해야 할 몇 가지 내재적 한계도 있습니다.
EBM의 한계:
- 폴리머 시스템보다 장비 비용이 높음
- 현재 승인된 항공우주/의료용 합금은 제한적입니다.
- 빔 편향 광학장치로 최대 빌드 크기 제한
- 레이저 파우더 베드 융합보다 낮은 스캔 속도
- 레이저 시스템보다 낮은 미세 기능 해상도
- 파우더 전도도 및 빌드 높이의 영향을 받는 빔 용융
- 표면 마감 개선을 위한 후처리
- 작은 내부 공극 또는 융합 결함 발생 가능성
- 프로세스 모니터링 및 품질 관리 영역의 성숙도 향상
전자빔 시스템과 관련된 장비 비용이 높아지면 부품 비용이 높아지므로 툴링으로 인한 비용 절감이 초기 자본 지출을 상쇄하는 소량 생산에 EBM이 더 적합합니다.
EBM의 품질 관리 및 포스트 프로세싱
모든 파우더 베드 금속 적층 제조 공정과 마찬가지로 EBM 부품은 다공성, 이방성 특성, 표면 마감, 잔류 응력, 파우더 효과, 기하학적 치수와 관련된 잠재적 품질 문제에 직면할 수 있으며, 파라미터 최적화, 후처리, 열간 등방성 프레스 및 품질 관리 절차를 통해 이를 완화해야 합니다.
품질 관리:
- 일관된 공급 원료 금속 분말 특성
- 합금 및 형상에 따른 파라미터 최적화
- 열 배출의 현장 모니터링
- 빌드 후 CT 스캔을 통한 밀도 확인
- ASTM 표준에 따른 기계적 특성 테스트
후처리:
- 열 스트레스 완화 및 열간 등방성 프레싱
- 비드 블라스팅을 통한 표면 마감 개선
- 밀링, 터닝, 연삭, 폴리싱
- 기능적 특성을 위한 코팅 또는 처리
실시간 공정 모니터링, 원료 분말 품질 관리, 모델링 시뮬레이션, 폐쇄 루프 피드백 파라미터 최적화를 통해 품질과 신뢰성을 향상시키기 위한 지속적인 노력이 계속되고 있습니다.
전자빔 적층 제조의 응용 분야
EBM이 제공하는 설계의 자유는 항공우주, 방위, 의료 기술, 자동차, 에너지 애플리케이션의 한계를 뛰어넘는 진보적인 산업 전반의 고성능 최종 사용 부품으로 이어집니다.
산업 응용 분야:
항공우주 - 터빈 블레이드, 임펠러, 스러스트 챔버, 래티스 자동차 - 섀시 및 파워트레인 부품 경량화 의료 - 정형외과 임플란트, 보철 장치
에너지 - 열교환기, 압력 용기, 드릴링 방어 - 무인 항공기, 보호용 군용 차량 부품 툴링 - 컨포멀 냉각 금형, 다이, 패턴
EBM은 복잡한 어셈블리를 향상된 속성을 가진 단일 부품으로 통합하고 중소규모 배치 생산에 적합합니다. 이 프로세스는 신속한 프로토타이핑에서 더 광범위한 합금과 품질 관리 조치가 성숙함에 따라 인증된 연속 제조로 계속 발전하고 있습니다.
EBM 장비 공급업체
소수의 기존 산업 공급업체가 통합 파우더 처리 솔루션과 함께 상용 EBM 적층 제조 시스템을 제공합니다. 맞춤형 대형 장비도 개발 중입니다.
EBM 장비 공급업체:
| 공급업체 | 모델 | 빌드 크기 | 재료 |
|---|---|---|---|
| Arcam EBM | Arcam Q20플러스 | Ø350 x 380 mm | Ti 합금, CoCr, Al, 강철, Ni 합금 |
| Arcam EBM 스펙트럼 H | 650 x 400 x 500mm | 공구강, 스테인리스강, CoCrMo, AlSi10Mg | |
| Arcam EBM 스펙트럼 L | 350 x 350 x 380 mm | 티타늄 합금, 코발트 합금, 니켈 합금, 강재 | |
| 절 | JAM-1000 | 300x300x300mm | 티타늄 합금, 니켈 합금, 구리 합금, 강재 |
| 스키아키 | 에밤 300 | 3050 x 1220 x 1220 mm | 항공우주 인증 알루미늄 합금 |
| 웨이랜드 첨가제 | 칼리버3 | Ø685 x 380 mm | Ti64, 인코넬 718, 스테인리스강 |
소규모 / 연구 시스템
- Arcam A2X
- 첨단 제조 기술 연구소 EBAM 150
- 린츠 메카트로닉스 센터 Micro-EBAM
연구 개발 중인 1미터 길이 이상의 맞춤형 솔루션으로 더 큰 빌드 볼륨이 계속 증가하고 있습니다. 빔 폭도 단일 전자빔을 넘어 더 빠른 속도를 위해 여러 개의 조정된 빔으로 발전하고 있습니다.
전자빔 적층 제조의 비용 분석
최종 사용 금속 적층 제조 공정으로 EBM을 도입하려면 장비 구입, 재료 소모품 및 운영 간접비 비용과 어셈블리 통합, 기계 가공 최소화, 재고 적정화를 통한 단위 부품 비용 절감 효과를 비교해야 합니다.
비용 요소 - EBM과 기존 제조
| 비용 요소 | EBM | 감산 제조 |
|---|---|---|
| 장비 획득 | $500K - $1.5m+ | 기계 비용 절감 |
| 머티리얼 파우더 | $100 - $800 kg당 | 원자재 비용 절감 |
| 노동 | 시간당 $50 - $150 | 일반적으로 낮은 인건비 |
| 빌드 속도 | 생산 시 시간당 5-20cm3 | 시간당 더 많은 볼륨 |
| 에너지 소비 | 구축된 kg당 ~50kWh | 에너지 사용량 감소 |
| 공급망 | 물류 간소화, 리드 타임 단축 | 복잡한 글로벌 공급망 |
| 부품당 비용 | $2 - $500+, 크기/기하학적 구조/수량에 따라 다름 | 지오메트리 종속성이 높음 |
| 총 비용 | 연간 빌드 규모 $5K - $25K+ | 산업별 가변성이 매우 높음 |
일반적으로 EBM은 재고, 가공 시간 및 조립 통합으로 고가의 툴링과 극한의 배치 크기를 사용하는 기존 대량 제조에 비해 훨씬 높은 기계 및 파우더 비용을 상쇄할 수 있는 1 ~ 수백 개 내외의 소량 복잡한 금속 부품에 이점을 제공합니다. 부품 수량, 속도, 복잡성, 성능 목표, 기대 품질이 최적의 생산 방법 선택에 큰 영향을 미칩니다.
전자빔 적층 제조의 안전 고려 사항
모든 산업 제조 장비와 마찬가지로 전자빔 금속 3D 프린팅은 고전압 전기, 불활성 가스, 반응성 금속 분말, 위험 완화 제어가 필요한 독성 물질 취급과 관련된 건강 및 안전 위험을 내포하고 있습니다.
EBM 안전 고려 사항:
- 고전압 전자기기 봉쇄
- 엑스레이 노출 차단
- 압력을 받는 극저온 가스
- 반응성 금속 분말 먼지
- 나노 입자 노출
- 수동 분말 체의 인체공학적 설계
- 기계식 및 레이저 연동
- 자료 가연성 주의 사항
- 직원 개인 보호 장비 요구 사항
- 장비 잠금 및 전자 정지
- 가동 시간을 위한 정기 유지보수
- 빔 시간 및 성능 모니터링
철저한 작업자 교육과 함께 엔지니어링 제어, 안전 프로토콜, 보호 장비, 규정된 유지보수, 파우더 베드 장비에 적용되는 유럽의회 법안 및 규정 준수 지침이 결합되어 여러 층의 건강 및 환경 보호 기능을 제공합니다.
전자빔 적층 제조의 미래 전망
EBM 기술과 품질이 계속 발전함에 따라 항공우주, 의료, 산업, 툴링, 자동차 등 생산량이 수천 대 미만이고 성능이 높은 비용을 정당화할 수 있는 애플리케이션을 중심으로 폭넓게 도입될 것으로 예상됩니다.
EBM의 미래 트렌드:
- 가공 가능한 합금 포트폴리오 확장
- 대규모 빌드 볼륨을 위한 하드웨어
- 더 빠른 속도를 위한 멀티 빔 시스템
- 향상된 빔 편향 범위 및 정확도
- 향상된 빔 포커싱 및 정밀도
- 현장 모니터링 및 폐쇄 루프 제어
- 프로세스 매개변수 표준화
- 종합적인 파우더 관리 솔루션
- 하이브리드 제조 통합
- 인증을 위한 품질 벤치마크
- 고속 프로덕션 애플리케이션
여러 개의 조정된 전자빔을 통합하면 스캔 속도가 배가될 수 있습니다. 단일 플랫폼에서 EBM과 밀링 또는 기타 2차 작업을 결합한 하이브리드 시스템을 사용하면 후가공을 간소화할 수 있습니다. 하드웨어, 재료, 품질 프로토콜, 부품 승인 워크플로우가 발전함에 따라 EBM 도입은 인증 애플리케이션의 확대에 따른 고속 생산에 적합합니다.
자주 묻는 질문
질문: EBM은 어떤 자료를 처리할 수 있나요?
A: EBM은 일반적으로 티타늄, 알루미늄, 니켈, 코발트 크롬, 스테인리스강, 공구강 및 구리 합금을 가공합니다. 소재 옵션은 계속 확장되고 있습니다.
Q: EBM은 다공성 또는 완전 밀도 부품을 생산하나요?
A: EBM은 부분적으로 사전 소결된 분말을 사용하여 99% 이상의 고밀도 금속 부품을 생산합니다. 밀도는 주조 및 단조 금속을 능가합니다.
Q: 다른 금속 적층 제조 공정에 비해 EBM의 정확도는 어느 정도인가요?
A: 치수 정확도는 다른 파우더 베드 기술과 경쟁할 수 있는 허용 오차로 ±0.2mm에 이르며, 경험에 따라 정밀도가 향상됩니다.
Q: 어떤 산업에서 EBM 제조를 사용하나요?
A: 항공우주, 의료, 자동차, 산업, 툴링, 방위, 로봇 공학, 에너지 산업은 최종 사용 부품에 EBM을 활용합니다.
Q: EBM 적층 제조의 부품당 비용은 얼마인가요?
A: 부품 비용은 크기, 형상 복잡성, 제작 속도, 재료량, 후처리 요구 사항 등에 따라 $100에서 $10,000+까지 다양합니다.
Q: 어떤 서비스 제공업체가 EBM 적층 제조를 제공하나요?
A: RapidDirect, 3D Systems, Carpenter Additive, Alloyed, 시그마 랩스, Velo3D, 반스 에어로스페이스, 버로크 테크놀로지스, 모프3D.
