개요 전자빔 용융 3D 프린터의
전자빔 용융 3D 프린터 은 금속 부품을 3D 프린팅하는 데 일반적으로 사용되는 적층 제조 기술입니다. 전자빔이 CAD 모델을 기반으로 금속 분말을 층별로 선택적으로 녹여 기존 제조 방식으로는 불가능한 복잡한 형상을 제작할 수 있습니다.
EBM 3D 프린터는 설계의 자유, 대량 맞춤화, 폐기물 감소, 경량화 등의 이점을 제공합니다. 주요 응용 분야는 항공우주, 의료, 치과, 자동차 산업입니다. EBM 시스템에서 프린트되는 재료로는 티타늄, 니켈 합금, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 코발트 크롬 등이 있습니다.
EBM 3D 프린터 유형
| 프린터 | 제조업체 | 볼륨 구축 | 레이어 두께 | 빔 파워 |
|---|---|---|---|---|
| Arcam EBM 스펙트럼 H | GE 애디티브 | 275 x 275 x 380mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q10플러스 | GE 애디티브 | ø350 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| Arcam Q20플러스 | GE 애디티브 | ø350 x 380 mm | 50 μm | 6 kW |
| Sciaky EBAM 300 | Sciaky Inc. | 1500 x 750 x 750mm | 150 μm | 30-60 kW |
EBM 인쇄 프로세스
EBM 인쇄 프로세스는 다음과 같이 작동합니다:
- 레이크 메커니즘을 사용하여 금속 분말을 빌드 플레이트에 균일하게 분배합니다.
- 전자빔이 금속 분말을 선택적으로 녹는점인 약 80%까지 예열하여 입자를 소결합니다.
- 전자 빔이 두 번째 패스를 수행하여 레이어 형상에 따라 재료를 빠르게 녹입니다.
- 빌드 플레이트가 내려가고 다른 파우더 층이 빌드 영역 위에 펼쳐집니다.
- 용융 금속 층으로 전체 부품이 만들어질 때까지 2~4단계를 반복합니다.
EBM 프린터 하드웨어 구성 요소
EBM 프린터에는 인쇄 프로세스를 가능하게 하는 다음과 같은 주요 하드웨어 구성 요소가 포함되어 있습니다:
- 전자 총: 프린터에 입력된 CAD 데이터에 따라 금속 분말을 선택적으로 녹이기 위해 집속된 전자 빔을 생성합니다. 텅스텐 필라멘트 음극에서 전자가 방출되어 높은 운동 에너지로 가속됩니다. 전자석이 빔의 초점을 맞추고 편향시킵니다.
- 분말 처리: 파우더 호퍼는 각 프린트 레이어 전에 빌드 플레이트에 긁어 모으는 원료를 보관합니다. 오버플로 파우더는 재사용을 위해 수거하여 체로 걸러집니다.
- 탱크 건설: 진공 상태에서 고온으로 레이어 용융이 이루어지는 밀폐된 챔버. 발열체 및 열 차폐막과 같은 기능으로 제작 영역의 환경을 최대 1000°C까지 유지합니다.
- 제어 시스템: 프린터 인터페이스 소프트웨어를 통해 속도, 빔 출력, 스캔 패턴 및 온도와 같은 작동 매개변수를 제어할 수 있습니다. 또한 CAD 모델 로딩이 용이합니다.
EBM 인쇄 자료
| 재질 | 유형 | 특성 | 애플리케이션 | 공급업체 | 가격 |
|---|---|---|---|---|---|
| 티타늄 합금 | Ti-6Al-4V(5등급), Ti 6Al 4V ELI(초저간극) | 우수한 중량 대비 강도, 생체 적합성, 내식성 | 항공우주 부품, 의료용 임플란트 및 장치 | AP&C, 카펜터 테크놀로지 | kg당 $350-$500 |
| 니켈 합금 | 인코넬 718, 인코넬 625, 인코넬 939 | 고온 강도, 부식 및 산화에 대한 내성 | 항공우주 엔진 부품, 발전 장비 | 샌드빅 | kg당 $500-$800 |
| 스테인리스 스틸 | 316L, 17-4PH, 15-5PH, 듀플렉스 | 높은 경도 및 내마모성 | 식품/의료 기기, 툴링, 자동차 | 샌드빅, LPW 기술 | kg당 $90-$350 |
| 코발트 크롬 | CoCrMo | 뛰어난 피로 강도 및 마모 특성 | 치과용 보철물 및 브릿지, 의료용 임플란트 | SLM 솔루션 | kg당 $270-$520 |
| 알루미늄 | AlSi10Mg | 낮은 밀도, 우수한 열 전도성 | 항공우주 브래킷, 자동차 부품 | AP&C | kg당 $95-$150 |
EBM 3D 프린팅의 장점
| 매개변수 | 혜택 |
|---|---|
| 자유로운 디자인 | 격자, 내부 채널과 같은 복잡한 형상을 인쇄할 수 있습니다. |
| 신속한 프로토타이핑 | 기존 방법의 경우 몇 주 걸리던 반복 작업을 며칠 만에 완료할 수 있습니다. |
| 대량 사용자 지정 | 동일한 프린터로 다양한 맞춤형 부품 제작 가능 |
| 고밀도 | 기존 제조 방식에 근접한 기계로 100%에 가까운 고밀도 금속 제조 |
| 최소한의 가공 | 인쇄된 그대로의 품질이 매우 우수하므로 마감 처리 감소 |
| 폐기물 감소 | 필요한 만큼의 재료만 사용하거나 빼기 프로세스 사용 |
| 일관된 품질 | 완전 자동화된 프로세스로 빌드 반복성 지원 |
| 비용 이점 | 부품 통합을 통한 툴링, 조립, 물류 통합으로 규모의 경제 실현 |
EBM 인쇄의 한계
| 단점 | 설명 |
|---|---|
| 지오메트리 컨스트레인트 | 지원 각도는 약 60° 돌출부, 최소 벽 두께 0.3-0.4mm로 제한됩니다. |
| 파우더 제거 | 외부 공기에 노출되지 않은 내부 채널 또는 부피에 가루가 갇혀 있을 수 있습니다. |
| 빔 오클루전 | 일부 오목한 부분이나 내부 깊숙한 곳은 전자빔이 도달하지 못할 수 있습니다. |
| 열 스트레스 | 가공 중 급격한 가열/냉각은 열 구배로 인해 균열을 유발할 수 있습니다. |
| 포스트 프로세싱 | 더 매끄러운 표면이나 더 엄격한 허용 오차를 위해 여전히 필요한 몇 가지 2차 마감 작업 |
| 빌드 크기 제한 | 프린터 봉투 크기보다 큰 구성 요소는 인쇄할 수 없습니다. |
| 높은 장비 비용 | $500,000대 이상의 프린터, 소규모 기업 및 개인 사용자의 채택 제한 |
비용 분석
Arcam EBM 프린터로 10코발트 크롬 치과용 코핑을 제작할 때의 비용 비교는 아래와 같습니다:
| 비용 | 합계($) | 단위당($) |
|---|---|---|
| 프린터 감가상각 | $2,000 | $200 |
| 소재(CoCrMo 분말) | $1,500 | $150 |
| 노동 | $100 | $10 |
| 합계 | $3,600 | $360 |
반면, 왁스 패턴 제작+손실 왁스 주조를 아웃소싱할 경우 10개 단위당 $600의 비용이 들기 때문에 EBM은 특히 대량 생산 시 단위당 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
전자빔 용융 3D 프린터 공급업체
주요 EBM 프린터 장비 제조업체와 금속 분말 재료 공급업체는 다음과 같습니다:
| 회사 | 본사 위치 | 제공되는 프린터 모델 | 지원되는 자료 |
|---|---|---|---|
| GE 첨가제 | 캐나다 | Arcam EBM 스펙트럼, Q 시리즈 | Ti-6-4, 인코넬, CoCr 등 |
| Sciaky Inc. | 미국 | EBAM 300 시리즈 | 티타늄 합금, 강철, 알루미늄 |
| SLM 솔루션 | 독일 | N/A | CoCr, 스테인리스 스틸 등 |
| 카펜터 기술 | 미국 | N/A | Ti-6-4, 인코넬 합금, 스테인리스강 |
| LPW 기술 | 영국 | N/A | 니켈 합금, 알루미늄 합금 분말 |
| 샌드빅 | 스웨덴 | N/A | EBM용 Osprey® 금속 분말 |
평균 시스템 비용은 파우더 제거 스테이션과 같은 보조 장비를 포함하여 $ 50만~100만 달러입니다. 재료는 알루미늄의 경우 kg당 $100에서 특수 니켈 초합금의 경우 kg당 $800까지 다양합니다.
전자빔 용융 3D 프린터 표준 및 인증
전자빔 용융 시스템의 품질, 사양 및 공정 제어와 관련된 주요 표준은 다음과 같습니다:
| 표준 | 설명 |
|---|---|
| ISO 17296-2 | 금속 적층 가공 - 공정, 재료 및 형상 |
| ASTM F2971 | EBM을 통한 금속 부품 생산의 표준 관행 |
| ASTM F3184 | EBM 하드웨어 인증 기준 |
| ASME BPVC Sec II-C | 승인된 EBM 자료 사양 정의 |
EBM 하드웨어와 제조업체 품질 시스템은 모두 ISO 9001 인증을 받을 수 있습니다. 항공우주 애플리케이션의 경우 AS9100D와 같은 추가 사양이 적용됩니다.
전자빔 용융과 다른 금속 AM 비교
| 매개변수 | 전자빔 용융 | 레이저 파우더 베드 융합 | 직접 에너지 증착 |
|---|---|---|---|
| 열원 | 가속 전자빔 | 고출력 Yb 파이버 레이저 | 집속 레이저 또는 전자빔 |
| 분위기 | 진공 | 불활성 가스 | 공기 또는 불활성 가스 |
| 스캔 방법 | 래스터링 집중 지점 | 래스터링 초점 레이저 스팟 | 래스터링 또는 단일 지점 |
| 입금 비율 | 4-8 cm$^3$/시간 | 4-20 cm$^3$/시간 | 10-100 cm$^3$/시간 |
| 정확도 | ± 0.1-0.3mm 또는 ± 0.002mm/mm | 최대 ±0.025mm 또는 ±0.002mm/mm | > 0.5mm |
| 표면 마감 | 15μm Ra, 50μm Rz | 최대 15μm의 거칠기 | > 25μm 이상의 거칠기 |
| 부품당 비용 | Medium | Medium | 최저 |
응용 전자빔 용융 3D 프린터
전자빔 용융은 다양한 고성능 금속에 복잡한 형상을 생성할 수 있기 때문에 다음과 같은 산업 전반에 걸쳐 사용됩니다:
항공우주: 티타늄 및 니켈 합금 브래킷과 스트럿과 같은 항공우주 부품을 경량화하면 연료 효율성이 향상됩니다. 또한 EBM을 사용하면 유체 라우팅 채널과 마운팅 기능을 단일 부품으로 통합할 수 있습니다.
의료 및 치과: 골 유착을 촉진하는 다공성 표면을 가진 코발트 크롬 및 티타늄 임플란트는 EBM을 통해 환자 해부학적 구조에 맞게 맞춤 제작할 수 있습니다. 기존 스톡 임플란트 크기와 모양에 비해 맞춤화가 가능하고 폐기물을 크게 줄일 수 있습니다.
자동차: 알루미늄 또는 티타늄 밸브 커버와 브레이크 캘리퍼와 같은 경량화 부품은 차량 무게를 줄여 연비를 개선합니다. 레이싱에 최적화된 맞춤형 터보차저 휠을 단기간 제작하는 것도 경제적입니다.
압형: 컨포멀 냉각 채널을 사출 금형 툴링에 내장하여 사이클 시간을 단축할 수 있습니다. 기존 방법의 경우 몇 주가 걸리던 냉각 채널 레이아웃 반복 작업을 EBM을 사용하면 10~20회 정도로 빠르게 처리할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
| 질문 | 답변 |
|---|---|
| 부품 정확도는 EBM과 기존 제조 공정을 어떻게 비교할 수 있을까요? | EBM의 경우 주조 및 단조의 한계에 필적하는 ±0.1mm의 치수 정확도와 공차가 가능합니다. CNC 가공은 필요한 경우 ±0.01mm의 더 엄격한 공차를 달성할 수 있습니다. |
| 거친 EBM 아스프린트 표면 마감에 후처리가 필요합니까? | 예, 레이어별 계단 효과는 일반적으로 10~15μm의 거칠기를 유발합니다. 필요한 경우 텀블링, 연마, 블라스팅 또는 기계 가공을 통해 0.5μm까지 더 매끄럽게 마감할 수 있습니다. |
| EBM에 어떤 금속 합금을 사용할 수 있나요, 아니면 특정 성분이 부적합한가요? | 열 응력으로 인해 고체 균열이 발생하기 쉬운 합금은 15μm/(m ̊C) 이상의 매우 높은 팽창 계수를 피해야 합니다. |
| 레이저와 전자빔 파우더 베드 융합 공정의 주요 장단점은 무엇인가요? | 레이저는 최대 100cm$^3$/hr의 빠른 제작 속도를 제공하지만 최대 빔 출력은 1kW로 제한됩니다. 더 강력한 8~60kW 전자빔은 더 높은 에너지 효율로 고밀도 금속에 더 깊숙이 침투할 수 있습니다. |
요약
전자빔 용융은 진공 상태에서 집중된 고출력 전자빔을 사용하여 금속 분말 입자를 층별로 선택적으로 용융시켜 완전히 조밀한 부품이 형성되도록 합니다. EBM 3D 프린터는 다른 어떤 기술과도 비교할 수 없는 고도로 복잡한 형상을 제작하여 의료 기기부터 항공우주 부품에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 맞춤형 제작, 경량화 및 부품 통합을 가능하게 합니다. 다른 금속 첨가제나 기존 기술에 비해 최대 프린트 용량이 제한적이지만 전자빔 용융은 이전에는 불가능했던 새로운 설계 가능성과 민첩한 제조 접근 방식을 열어줍니다.
