EBM 적층 제조 개요
전자빔 용해(EBM)는 전자빔을 사용하여 금속 분말 입자를 층별로 선택적으로 녹이고 융합하여 복잡한 3D 부품을 만드는 일종의 분말층 융합 적층 제조입니다.
EBM 프로세스의 주요 특징은 다음과 같습니다.
- 금속 분말 공급원료로 완전 밀도 부품 제작
- 전자빔을 에너지원으로 사용
- 진공 및 고온에서 작동
- 우수한 기계적 특성 달성
- 티타늄, 탄탈륨과 같은 반응성 금속에 이상적
- 가공으로는 불가능한 복잡한 형상을 가능하게 합니다.
- 최종 부품 마감을 달성하려면 후처리가 필요할 수 있습니다.
EBM은 항공우주, 의료, 치과, 자동차 및 산업 응용 분야 전반에 걸쳐 설계 자유도, 부품 통합, 무게 감소, 성능 향상 등의 이점을 제공합니다.
어떻게 EBM 적층 가공 공장
EBM 적층 제조 공정은 다음과 같이 작동합니다.
- 3D CAD 모델은 얇은 단면 레이어로 분할됩니다.
- 금속 분말은 진공 챔버의 빌드 플레이트 위에 고르게 분포됩니다.
- 전자빔은 슬라이스 데이터를 기반으로 분말을 선택적으로 스캔하고 녹입니다.
- 빌드 플레이트가 아래로 떨어지고 그 위에 또 다른 파우더 층이 펼쳐집니다.
- 부품이 완료될 때까지 3~4단계를 반복합니다.
- 여분의 분말을 제거하고 부품을 열처리합니다.
- 필요한 경우 가공이나 드릴링과 같은 후처리를 수행할 수 있습니다.
EBM 기계는 전자기 렌즈와 편향 코일을 사용하여 전자빔을 정밀하게 제어합니다. 이 공정은 매우 높은 용융 온도를 가능하게 하는 고진공 하에서 진행됩니다.
EBM 적층 제조 시스템의 유형
EBM 머신에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.
| 기계 유형 | 설명 | 빌드 크기 | 재료 | 애플리케이션 |
|---|---|---|---|---|
| 소규모 시스템 | 비용이 저렴하고 소형 부품에 적합 | 150x150x150mm | 티타늄, 코발트 크롬, 스테인레스, 공구강 | 치과, 의료, 연구 |
| 대형 시스템 | 대량 생산 애플리케이션용 | 500x400x400mm | 티타늄, 인코넬, 탄탈룸 | 항공우주, 자동차, 산업 |
Arcam EBM과 GE Additive는 소형 및 대형 기계를 모두 제공하는 주요 EBM 시스템 제조업체입니다.
EBM 적층 제조용 재료
EBM 기술을 사용하여 다양한 금속을 가공할 수 있습니다.
- 티타늄 합금: Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl
- 니켈 합금: 인코넬 718, 인코넬 625
- 코발트-크롬 합금: CoCrMo
- 철강: 스테인레스강, 공구강, 마레이징강
- 내화성 금속: 탄탈륨, 텅스텐
- 귀금속: 실버, 골드, 플래티넘
- 알루미늄 합금: AlSi10Mg
티타늄은 반응성으로 인해 EBM에 특히 적합합니다. 그러나 이 공정을 통해 다른 고급 합금을 사용해 고강도 및 내부식성 부품을 제작할 수도 있습니다.
EBM 적층 가공의 응용
주요 응용 분야는 다음과 같습니다.
항공우주: 터빈블레이드, 엔진부품, 기체 및 구조부품
의료용 임플란트: 정형외과용 임플란트, 고정장치, 수술기구
자동차: 터보차저 휠, 밸브바디, 연료계통 부품
산업: 열교환기, 압력용기, 펌프하우징, 지그 및 고정구
석유 및 가스: 다운홀 공구, 밸브 바디, 매니폴드
방어: 위성 및 무인항공기 부품, 장갑판
EBM은 이러한 산업 전반에 걸쳐 최적화된 설계를 통해 더 가볍고, 더 강력하며, 더 높은 성능의 구성요소를 가능하게 합니다.
장점 EBM 적층 가공
EBM 기술의 이점은 다음과 같습니다.
- 낮은 다공성 – 밀도가 100%에 가까워 기계적 성질이 우수함
- 높은 강도 – 티타늄 합금은 가공 재료의 특성과 일치하거나 그 이상입니다.
- 자유로운 디자인 – 복잡한 형상도 제작 가능
- 신속한 프로토 타입 – 제품 개발 주기 가속화
- 부품 통합 – 여러 구성 요소를 통합하여 조립 횟수를 줄입니다.
- 무게 감소 – 부품이 가벼워지면 자동차 및 항공우주 분야에서 연료 절감이 가능합니다.
- 적시 생산 – 주조, 단조의 긴 리드타임 단축
- 맞춤형 제품 – 환자 맞춤형 의료기기 및 맞춤형 소비재
- 지속 가능한 생산 – 감산법에 비해 낭비가 적습니다.
이러한 이점은 성능을 향상시키고 비용을 절감하며 신제품 혁신을 가능하게 하기 위해 산업 전반에 걸쳐 EBM 채택을 촉진합니다.
EBM 적층 가공의 한계
EBM에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다.
- 높은 장비 비용 – EBM 기계는 $500,000-$150만 범위에서 초기 자본 비용이 높습니다.
- 부품 크기 제약 – 빌드 봉투는 최대 부품 크기를 제한합니다.
- 치수 정확도 – 엄격한 공차를 달성하기 위해 후처리가 필요한 경우가 많습니다.
- 표면 마감 – 계단식 효과로 표면이 거칠어져 마무리가 필요함
- 빌드 속도 – 레이저나 전자빔을 사용하는 분말층 융합 공정보다 속도가 느림
- 반응성 금속 – 불활성 금속 또는 티타늄, 탄탈륨과 같은 금속으로 제한됩니다.
- 분말 제거 – 사용하지 않는 금속분말은 반드시 제거하여 재활용해야 합니다.
- 열 응력 – 부품의 변형 및 균열이 발생할 수 있음
EBM 기술의 지속적인 개발은 속도, 품질, 재료 유연성 및 비용 효율성을 향상시키는 것을 목표로 합니다.
EBM 적층 가공의 설계 원리
EBM 기술을 성공적으로 활용하려면 다음과 같은 설계 지침이 중요합니다.
- 돌출부 및 지원되지 않는 형상 최소화
- 여분의 파우더 제거를 위한 작은 구멍(1-2mm) 포함
- 격자 구조를 활용해 무게 감소
- 벽 두께를 1mm 이상 유지
- 응력 집중을 방지하려면 각도 ≥ 30°를 포함하세요.
- 0.2% 선형 스케일링 계수 고려
- 미세한 세부 사항에 대해 0.2mm 허용 오차 허용
- 분말 제거를 위해 내부 채널 ≥ 2mm 설계
- 갇힌 분말 축적 영역을 최소화합니다.
- 단면적을 최소화하기 위해 부품을 플레이트에 배치
시뮬레이션 도구는 설계 프로세스 초기에 설계 성능을 평가하는 데 도움이 됩니다. 설계는 AM 기능에 맞게 최적화될 수 있습니다.
EBM의 프로세스 매개변수
중요한 EBM 프로세스 매개변수는 다음과 같습니다.
- 빔 파워 – 빌드 속도, 다공성, 미세 구조에 영향을 미칩니다.
- 빔 속도 – 속도가 높을수록 제작 속도가 빨라지지만 밀도가 저하될 수 있습니다.
- 빔 초점 – 포커싱 및 편향 제어 융합
- 스캔 전략 – 레이어 간 래스터 방향을 교대로 사용하면 잔류 응력이 줄어듭니다.
- 레이어 두께 – 레이어가 미세할수록 해상도는 향상되지만 제작 속도는 느려집니다.
- 빌드 온도 – 온도가 높을수록 잔류 응력은 감소하지만 정밀도는 저하됩니다.
- 용융 풀 크기 – 국소 미세 구조 및 특성에 영향을 미칩니다
- 공급원료 – 분말 크기 분포와 형태는 밀도와 표면 마감에 영향을 미칩니다.
이러한 매개변수를 제어하면 특정 용도에 맞게 속성과 품질을 조정할 수 있습니다.
EBM 부품 후처리
일반적인 EBM 부품 후처리 단계는 다음과 같습니다.
- 분말 제거 – 내부 공동에서 과잉 분말을 제거하기 위한 비드 블라스팅
- 스트레스 해소 – 열간 등방압 프레싱은 잔류 응력을 줄이는 데 도움이 됩니다.
- 끊다 – 빌드 플레이트에서 부품을 제거하기 위한 와이어 EDM
- 가공 – 치수 정확도 및 표면 마감을 달성하기 위한 CNC 밀링, 터닝, 드릴링
- 연마 – 보석, 의료용 임플란트 등 시각적 부품의 광택 표면 마감용
- 코팅 – 내마모성, 저마찰성 또는 미적 코팅 적용
- 품질 테스트 – 기계적 성질, 내부결함, 미세구조 측정
후처리를 최소화하면 전체 부품 비용이 절감됩니다. 그러나 중요한 응용 분야에는 사양을 충족하기 위해 광범위한 마감 처리가 필요할 수 있습니다.
EBM을 위한 품질 관리
EBM 생산을 위한 엄격한 품질 관리 절차에는 다음이 포함됩니다.
- 원료 검사 - 체 분석, 유속 테스트 및 원료 분말 현미경 검사
- 공정 내 모니터링 – 용융 풀 크기, 분말층 온도, 진공 수준
- 치수 검사 - 중요한 치수에 대한 CMM 및 기타 도량형 검사
- 기계적 테스트 – 인장, 압축, 미세경도, 파괴인성, 피로
- 비파괴 평가 – 내부 결함 확인을 위한 X선 컴퓨터 단층 촬영
- 금속학 – 광학 및 전자 현미경을 사용한 미세 구조 특성 분석
- 밀도 분석 – ≥ 99.5% 밀도를 검증하기 위한 아르키메데스 방법 또는 헬륨 비중 측정
- 표면 거칠기 측정 – 표면 질감을 정량화하는 광학 프로파일로메트리
- 화학 분석 – 구성 확인을 위한 ICP 및 질량 분광학
- 검증 빌드 – 새 부품의 프로세스 매개변수를 확인하기 위한 테스트 빌드
이 포괄적인 테스트는 엄격한 산업 응용 분야에 대한 EBM 제품 품질을 검증합니다.
비용 모델링 EBM 적층 가공
총 비용은 다음에 따라 달라집니다.
- 기계 비용 – 고자본 장비 투자
- 재료비 – 분말 원료 비용/kg
- 운영 비용 – 노동력, 에너지, 유지보수, 불활성 가스
- 후처리 – 추가 가공 및 마무리
- 빌드 속도 – 빠른 구축으로 비용 절감
- 가동률 – 기계 사용량이 많을수록 비용이 더 많은 부품에 분산됩니다.
- 구매 대 비행 비율 – 사용하지 않은 분말은 재활용해야 하며 비용이 추가됩니다.
- 부품 형상 – 컴팩트한 부품으로 빌드 볼륨 사용 극대화
- 빌드 볼륨 – 더 큰 기계로 더 높은 처리량 가능
- 규모의 경제 – 대량 생산으로 부품당 비용 절감
생산량이 증가하고 잉여 분말을 재사용할 수 있으므로 비용이 크게 절감됩니다.
EBM 적층 제조 공급업체 선택
EBM 서비스 제공자를 선택하는 기준:
- 검증된 시스템 설치 및 고객 레퍼런스
- 다양한 인증을 받은 항공우주, 의료, 산업 응용 경험
- 티타늄, 인코넬, 코발트 크롬과 같은 다양한 인증 재료
- 품질경영시스템 인증 – ISO 9001, AS9100
- 엄격한 품질 관리 테스트 절차
- 표준 및 특수 분말 재고
- 2차 내부 가공 및 마무리 능력
- 설계 지원 및 시뮬레이션 서비스 구축
- 야금 전문 지식을 갖춘 전문 엔지니어
- 높은 처리량을 위한 대형 제작 범위
- 경쟁력 있는 가격 구조를 투명하게 전달
- ITAR 및 기타 규제 프로젝트 관리 가능
- 인근에 위치하여 직접 회의 및 협업 가능
규제 산업에서 경력을 쌓은 확립된 서비스 제공업체는 엄격한 품질 기대치를 가장 잘 충족시키는 경향이 있습니다.
EBM과 다른 AM 방법의 장단점
EBM의 장점:
- 단조 특성에 필적하는 완전 밀도의 금속 부품
- 위쪽을 향한 표면의 우수한 표면 마감
- 레이저 공정에 비해 높은 제작 속도
- 레이저 파우더 베드 융합에 비해 낮은 잔류 응력
- 완제품 부품의 우수한 기계적 특성
- 용융 풀 제어로 미세 구조 개선 가능
- 티타늄과 같은 반응성 금속에 이상적인 비활성 제작 조건
- 중간 규모부터 높은 생산량까지 비용 효율적
EBM의 단점:
- 폴리머 시스템보다 장비 비용이 높음
- 레이저 PBF에 비해 제한된 재료 옵션
- 숙련된 작업자가 필요한 제어된 프로세스
- 상당한 후처리가 필요한 경우가 많음
- 많은 양의 전력을 소비합니다.
- 빌드 봉투에 의해 제한되는 최대 부품 크기
- 반응성 금속분말의 취급 및 재활용
- 가공 또는 단조 부품보다 프로파일 정확도가 낮음
중대형 금속 부품 생산의 경우 EBM은 합리적인 비용으로 높은 강도와 품질을 제공하는 데 탁월합니다. 그러나 프로세스를 마스터하려면 경험이 필요합니다.
EBM과 DMLS 및 SLM의 비교
EBM 대 DMLS:
| 매개변수 | EBM | DMLS |
|---|---|---|
| 빔 소스 | 전자빔 | 파이버 레이저 |
| 원자구 | 진공 | 불활성 가스 |
| 일반적인 재료 | 티타늄 합금, 탄탈륨, 인코넬 | 스테인레스 스틸, 코발트 크롬, 알루미늄 |
| 빌드 속도 | 높음 | Medium |
| 표면 마감 | 보통 | 매우 높음 |
| 부품당 비용 | 보통 | 높음 |
| 최대 부품 크기 | 크기가 큰 | Medium |
EBM 대 SLM:
| 매개변수 | EBM | SLM |
|---|---|---|
| 빔 소스 | 전자빔 | 파이버 레이저 |
| 분위기 | 진공 | 불활성 가스 |
| 일반적인 재료 | 티타늄, 탄탈륨, 인코넬 | 알루미늄 합금, 강철, 니켈 합금 |
| 잔류응력 | 낮음 | 높음 |
| 기계적 특성 | 우수 | 매우 좋음 |
| 부품당 비용 | 보통 | 낮음 |
| 정확도 | 보통 | 높음 |
자주 묻는 질문
EBM 기술을 사용하여 어떤 재료를 가공할 수 있나요?
가장 일반적인 EBM 재료는 티타늄 합금, 인코넬과 같은 니켈 합금, 코발트 크롬 및 일부 공구강입니다. 최근에는 내화성 금속과 알루미늄 합금도 채택되고 있습니다.
EBM 시스템으로 어떤 층 두께를 얻을 수 있습니까?
EBM 기계는 최소 50미크론 두께의 층을 증착할 수 있습니다. 더 얇은 25~35미크론 층은 작고 복잡한 부품에 일반적으로 사용되는 반면, 70~100미크론은 더 크고 거친 부품에 사용됩니다.
EBM 구성요소에는 어떤 후처리 방법이 사용됩니까?
일반적인 후처리에는 분말 제거, 응력 완화, 플레이트에서 절단, 기계 가공, 연삭 또는 연마와 같은 표면 처리, 검사 및 테스트가 포함됩니다.
EBM 부품으로 어떤 정밀도와 표면 조도를 얻을 수 있습니까?
약 ±0.2%(25cm당 ±0.5mm)의 치수 정확도를 달성할 수 있지만 사후 가공을 통해 공차를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 실제 표면 거칠기 범위는 10-50μm Ra입니다.
항공우주 애플리케이션에서 EBM은 DMLS와 어떻게 비교됩니까?
EBM은 구조용으로 전통적으로 단조된 티타늄 부품의 재료 특성을 일치시킬 수 있습니다. DMLS보다 높은 빌드 속도를 제공하지만 일반적으로 더 광범위한 사후 처리가 필요합니다.