전자빔 적층 제조 (EBAM)은 전자빔 에너지원을 사용하여 재료를 융합하는 금속 3D 프린팅 프로세스입니다. 이 가이드에서는 이 기술을 채택하기 위한 EBAM 시스템, 프로세스, 재료, 응용 프로그램, 이점 및 고려 사항을 검토합니다.
전자빔 적층 제조 소개
전자빔 적층 제조(EBAM)는 고출력 전자빔을 에너지원으로 사용하여 CAD 데이터에서 직접 금속 공급원료를 층별로 완전히 밀도가 높은 부품으로 융합하는 금속 3D 프린팅의 한 유형입니다.
EBAM 기술의 주요 특성:
- 전자빔 전원을 사용하여 재료를 녹입니다.
- 금속 분말을 층별로 추가하여 부품을 만듭니다.
- 고밀도로 거의 그물 모양의 부품을 생성합니다.
- 일반적인 재료는 티타늄, 니켈 합금, 강철입니다.
- 다른 금속 AM 공정보다 더 큰 빌드 볼륨
- 더 빠른 빌드를 위한 높은 증착 속도
- 평균 부품 정확도 ±0.3mm
- 레이저 공정에 비해 낮은 잔류 응력
- 크고 복잡한 금속 부품에 이상적
- 낭비 감소 대 빼기 기술
EBAM은 기존 제조에서는 불가능했던 혁신적인 설계를 가능하게 합니다. 그러나 모든 적층 공정과 마찬가지로 뚜렷한 설계 및 적용 고려 사항이 있습니다.
어떻게 전자빔 적층 가공 공장
EBAM 프로세스는 다음으로 구성됩니다.
- 금속분말의 얇은 층을 증착 및 레벨링
- 영역을 선택적으로 녹이는 주사 전자빔
- 빌드 플레이트를 내리고 레이어링/멜팅을 반복
- 파우더 베드에서 완성된 부품 제거
- 필요에 따라 후처리
전자빔 총은 진공 상태에서 집중된 빔을 생성합니다. 빔 파워, 속도, 패턴 및 기타 매개변수는 재료를 융합하기 위해 정밀하게 제어됩니다.
EBAM 시스템에는 진공 챔버, 분말 처리, 전자총, 제어 장치 및 기타 하위 시스템이 필요합니다.
EBAM 장비 제조업체
산업용 EBAM 시스템의 주요 글로벌 공급업체는 다음과 같습니다.
| 제조업체 | 모델 | 빌드 크기 | 재료 | 가격 범위 |
|---|---|---|---|---|
| GE 애디티브 | Arcam EBM 스펙트럼 H | 1000x600x500mm | Ti, Ni, CoCr, Al, Cu, 강철 | $1.5m - $2m |
| 스키아키 | 에밤 300 | 1830x1220x910mm | Ti, 인코넬, 스테인리스 | $1.5M – $3M |
| Velo3D | 사파이어 | 680x380x380mm | 티, 인코넬 | $1M – $2M |
| 나노 차원 | 드래곤플라이 LDM | 330x330x330mm | 구리 | $0.5M – $1M |
시스템 선택은 생산 요구 사항, 재료, 정확도 요구 사항 및 예산에 따라 달라집니다. 경험이 풍부한 서비스 제공업체와 협력하는 것은 장비를 직접 구매하는 것의 대안입니다.
EBAM 프로세스 특성
EBAM은 복잡한 열적, 기계적, 재료 상호작용을 포함합니다. 주요 프로세스 특성은 다음과 같습니다.
전자 빔 – 출력, 빔 직경, 전류, 스캔 속도, 초점
가루 – 재질, 모양, 크기 분포, 층 두께
진공 – 필요한 압력 수준, 가스 불순물
온도 – 예열, 용융 풀 역학, 냉각 속도
메타데이터 – 빌드 플레이트, 레이크 시스템, 쉴딩
스캔 전략 – 용융 풀 패턴, 빔 진동
후처리 – 열처리, HIP, 가공, 마무리
고품질 EBAM 부품을 얻으려면 매개변수 간의 관계를 이해하는 것이 중요합니다.
EBAM 디자인 지침
적절한 EBAM 부품 설계 관행에는 다음이 포함됩니다.
- 적층 제조 원리를 염두에 두고 설계
- 경량화를 위해 얇은 벽과 격자 구조를 사용합니다.
- 지지가 필요한 지지되지 않는 돌출부 최소화
- 변형으로 이어지는 응력을 방지하기 위해 부품 방향을 지정합니다.
- 형상의 열 수축 효과 고려
- 분말 제거를 용이하게 하는 기하학적 구조 설계
- 외관보다는 기능을 고려한 엔지니어 표면
- 최소 벽 두께 및 피처 크기 수용
- 표면의 후처리 스톡 허용
- 복잡한 부품의 빌드 및 열 효과 시뮬레이션
- 파우더 베드 제거를 위한 디자인 고정 장치 및 인터페이스
시뮬레이션 및 모델링 도구는 잔류 응력과 변형을 예측하는 데 도움이 됩니다.
EBAM 재료
다양한 금속을 가공할 수 있습니다. 전자빔 적층 제조:
| 범주 | 일반적인 합금 |
|---|---|
| 티타늄 | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, 상업적으로 순수 티타늄 |
| 니켈 초합금 | 인코넬 718, 인코넬 625, 헤인즈 282 |
| 스테인리스 스틸 | 304, 316, 17-4PH, 15-5PH |
| 공구강 | H13, 머레이징 스틸 |
| 알루미늄 | AlSi10Mg, 스칼말로이 |
| 귀금속 | 골드, 플래티넘 |
| 구리 | CuCrZr, Cu, 구리 니켈 합금 |
| 코발트 크롬 | CoCrMo, 스텔라이트 |
재료 특성은 EBAM 공정 매개변수와 후처리에 크게 좌우됩니다.
주요 EBAM 애플리케이션
EBAM은 산업 전반에 걸쳐 성능 개선을 가능하게 합니다.
| 산업 | 일반적인 EBAM 애플리케이션 |
|---|---|
| 항공우주 | 항공기 구조물, 터빈, 발사 하드웨어 |
| 전력 생성 | 고온 가스 경로 부품, 하우징 |
| 석유 및 가스 | 밸브, 펌프, 압축기, 툴링 |
| 자동차 | 경량화 부품, 열교환기 |
| 의료 | 정형외과용 임플란트, 수술 기구 |
| 해양 | 임펠러, 프로펠러, 복잡한 주물 |
| 화학 | 열교환기, 교반기, 압력 용기 |
기존 제조에 비해 다음과 같은 이점이 있습니다.
- 1:1의 구매-비행 비율로 낭비 감소
- 디지털 프로세스로 인한 리드타임 단축
- 어셈블리를 단일 부품으로 결합
- 가공에 적합하지 않은 맞춤형 형상
- 복잡한 구조의 성능 향상
- 자격을 갖춘 후 확장 가능한 생산량
EBAM은 다른 수단으로는 실현할 수 없는 차세대 제품 설계 기회를 창출합니다.
EBAM의 장점과 단점
장점:
- 단일 부품으로 이루어진 크고 복잡한 금속 부품
- 격자 디자인의 강력하고 가벼운 부품
- 고가의 다이 또는 툴링이 필요하지 않음
- 감산 기법에 비해 재료 낭비 감소
- 다른 AM 공정에 비해 상대적으로 빠른 빌드 속도
- 100~10,000개 단위의 중간 볼륨에서 비용 효율적
- 빠른 응고로 인한 일관된 야금
- 어셈블리를 단일 부품으로 결합합니다.
- 주문형 생산 및 맞춤형 디자인
- 가공 제약을 넘어서는 형상의 자유로움
제한사항:
- 폴리머 3D 프린팅보다 장비 비용이 높음
- 진공 호환 재료로 제한됨
- 가공에 비해 정밀도와 표면 조도가 낮음
- 특성을 달성하기 위해 후처리가 필요한 경우가 많습니다.
- 재활용이 필요한 스크랩 분말 생산
- 프로세스 개발 및 시도 필요
- 높은 전력 요구에 대한 시설 고려 사항
- 열 응력으로 인해 부품 변형이 발생할 수 있음
- 돌출부 및 최소 기능에 대한 제약
- 빌드 챔버 봉투의 크기 제한
애플리케이션 요구 사항에 적합한 경우 EBAM은 고부가가치 제품 개선을 가능하게 합니다.
EBAM 기술 구현
EBAM 채택 시 주요 고려 사항은 다음과 같습니다.
- EBAM 기능이 이점을 제공하는 애플리케이션 식별
- EBAM 시스템을 위한 상당한 자본 투자 예산 책정
- 엄격한 자격 프로토콜 및 표준 개발
- 최종 사용 애플리케이션에 대한 규제 요구 사항 이해
- 파우더 베드 전문 지식을 갖춘 인력을 고용하거나 서비스 제공업체와 협력
- 프로세스 시험 및 최적화를 위한 시간과 리소스 허용
- 분말 취급 절차 및 환기 구현
- 적합한 시설 인프라 및 전력 역량 제공
- 열처리 등 2차 가공 예산 책정
- 특성 검증을 위한 기계적 테스트 수행
초기 시험에 가장 적합한 애플리케이션은 덜 중요하고 위험도가 낮습니다.
EBAM을 통한 비용 절감
EBAM의 비즈니스 사례는 다음에 따라 달라집니다.
- $1백만~$3백만 정도의 높은 장비 비용
- 공정 개발 및 생산을 위한 노동
- 원료 금속 분말 재료의 비용
- 2차 마무리 작업
- 시설, 분체취급 인프라
- 절삭 공정에 비해 폐기물 감소
- 하위 어셈블리를 단일 부품으로 통합
- 기존 기술보다 개발 기간이 단축됨
- 약 100~10,000개 부품의 경제성 확보
- 가치를 더하는 복잡한 형상에 대한 최대 절감 효과
제조업체는 제조상의 이점을 통해 더 높은 AM 장비 비용을 능가해야 합니다.
다른 프로세스와 비교한 EBAM
| 프로세스 | EBAM과의 비교 |
|---|---|
| CNC 가공 | EBAM은 절삭 공정을 통해 가공할 수 없는 복잡한 형상을 가능하게 합니다. 어려운 툴링이 필요하지 않습니다. |
| 금속 사출 성형 | EBAM은 높은 툴링 비용을 없애줍니다. MIM보다 재료 특성이 더 좋습니다. |
| 다이 캐스팅 | EBAM은 툴링 비용이 낮습니다. 크기 제한이 없습니다. 매우 복잡한 형상을 얻을 수 있습니다. |
| 시트 적층 | EBAM은 적층 복합재에 비해 완전히 밀도가 높은 등방성 재료를 생성합니다. |
| 바인더 분사 | EBAM은 다공성 바인더 분사 녹색 부품에 비해 완전히 밀도가 높은 최종 부품을 제공합니다. |
| SLM | SLM은 해상도가 더 세밀하고 EBAM은 빌드 속도가 더 빠릅니다. 둘 다 조밀한 금속 부품을 생성합니다. |
각 프로세스는 응용 분야, 배치 크기, 정확도 요구 사항 및 성능 요구 사항을 기반으로 특정 이점을 제공합니다.
EBAM의 미래 전망
다음을 통해 EBAM 채택 확대의 미래는 밝습니다.
- 더 넓은 범위의 생산 등급 합금
- 더 큰 부품을 가능하게 하는 더 큰 빌드 범위
- 처리량 증가를 위한 더 빠른 구축 속도
- 마감 및 치수 정확도 향상
- 기술이 성숙해짐에 따라 비용이 감소함
- 사전/사후 처리의 추가 자동화
- 가공을 통합한 하이브리드 시스템
- 고급 공정 내 모니터링 시스템
- 항공우주와 같은 까다로운 산업에 대한 자격
- EBAM 기능을 활용한 설계 최적화
기술이 발전함에 따라 EBAM은 광범위한 산업 분야에서 제조 방식을 변화시킬 것입니다.
자주 묻는 질문
EBAM에는 어떤 재료가 사용됩니까?
티타늄, 니켈 합금, 공구강, 스테인리스강, 알루미늄 합금, 귀금속을 가공할 수 있습니다.
EBAM 부품의 정밀도와 마감은 어떤가요?
치수 정확도는 일반적으로 ±0.3mm이며 표면 거칠기는 기본적으로 약 25-125μm Ra입니다.
EBAM 부품에는 어떤 후처리가 사용됩니까?
열처리, HIP, 가공 등이 사용될 수 있습니다. 플라즈마 스프레이 코팅도 일반적입니다.
EBAM은 얼마나 큰 부품을 생산할 수 있나요?
일반적인 빌드 볼륨은 대형 시스템의 경우 500mm x 500mm x 500mm에서 최대 2m x 1m x 1m입니다.
빼기 방법에 비해 어떤 이점이 있나요?
EBAM은 낭비를 줄인 거의 그물 형태의 부품을 생성하고 어셈블리를 하나의 복잡한 구성 요소로 통합합니다.
EBAM을 사용하는 산업은 무엇입니까?
항공우주, 에너지, 자동차, 석유 및 가스, 의료 분야는 EBAM의 얼리 어답터입니다.
EBAM 장비를 운영하려면 어떤 전문 지식이 필요합니까?
Powder Bed 공정, 야금, 후가공 경험이 풍부한 숙련된 기술자가 필요합니다.
어떤 안전 예방 조치가 필요하나요?
환기, 모니터링 장비, 개인 보호 장비 및 안전한 분말 취급이 중요합니다.
기존 제조 방식과 비교하여 비용은 어떻습니까?
EBAM은 복잡한 설계를 위해 100~10,000개의 중간 규모 생산을 중심으로 비용 효율성을 높입니다.
EBAM 프로세스를 간략하게 설명해 주실 수 있나요?
EBAM은 전자빔이 CAD 데이터를 기반으로 층별로 선택적으로 녹여 부품을 만드는 층에 금속 분말을 증착합니다.
