EBM 적층 가공

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