개요 전자빔 용융
전자빔 용융(EBM)은 전자빔 전원을 사용하여 금속 분말 재료를 층별로 선택적으로 녹이고 융합하여 부품을 제작하는 적층 제조 공정입니다.
전자빔 용융에 대한 몇 가지 주요 세부 사항은 다음과 같습니다:
- 진공 상태에서 전자빔 건을 사용하여 분말을 녹입니다.
- 빌드는 고온에서 이루어지므로 층간 결합이 잘 이루어집니다.
- 주로 Ti, Ni, Co 합금 및 기타 고성능 소재에 사용됩니다.
- 기존 방식과 동등하거나 그 이상의 속성을 가진 거의 풀 밀도 부품을 제공합니다.
- 기존 제작 방식으로는 불가능한 복잡한 형상을 지원합니다.
- 항공우주, 의료 및 자동차 산업에서 일반적으로 사용됩니다.
- 전자빔 적층 제조(EBAM) 또는 전자빔 자유형 제조(EBF3)라고도 합니다.
전자빔 용융 장비
| 유형 | 설명 |
|---|---|
| 전자 빔 건 | 고에너지 빔을 생성하고 집중시켜 재료를 녹입니다. 핵심 구성 요소입니다. |
| 파우더베드 | 블레이드 또는 롤러로 긁어낸 파우더 층이 포함되어 있습니다. 이동식 플랫폼에 구축되었습니다. |
| 진공 챔버 | 빌드하는 동안 전체 시스템이 진공 상태입니다. 빔 초점에 매우 중요합니다. |
| 제어 시스템 | 소프트웨어 슬라이스 및 제어 빌드 파라미터. 인프로세스 모니터링 및 제어 기능을 제공합니다. |
| 처리 시스템 | 부품을 적재/하역하고 사용하지 않은 분말을 재활용하는 데 사용됩니다. |
| 차폐 | 엑스레이 발생으로 인해 챔버 주변에 납 차폐가 필요합니다. |
사용되는 재료 전자빔 용융
| 재질 | 주요 속성 | 일반적인 애플리케이션 |
|---|---|---|
| 티타늄 합금 | 높은 중량 대비 강도, 생체 적합성 | 항공우주, 의료용 임플란트 |
| 니켈 합금 | 내식성, 고강도 | 터빈, 로켓 부품 |
| 코발트-크롬 합금 | 경도, 내마모성/내식성 | 의료용 임플란트, 툴링 |
| 스테인리스 스틸 | 우수한 내구성, 손쉬운 처리 | 산업용 툴링, 금형 |
| 알루미늄 합금 | 가벼운 무게 | 항공우주, 자동차 |
| 귀금속 | 높은 화학적 불활성 | 쥬얼리, 의료 |
EBM은 출력 강도로 인해 레이저 기반 공정으로는 어려운 고성능 합금을 가공할 수 있습니다.
EBM 프로세스 사양
| 매개변수 | 일반적인 범위 |
|---|---|
| 빔 파워 | 1-3 kW |
| 빔 전압 | 30-150kV |
| 빌드 크기 | 최대 200 x 200 x 350mm |
| 레이어 높이 | 50-200 μm |
| 빌드 속도 | 5-100 cm3/hr |
| 빔 크기 | 직경 0.1-1mm |
| 진공 레벨 | 5 x 10-4mbar |
| 빔 초점 | 0.1-0.5mm 스팟 크기 |
EBM 시스템을 사용하면 빔 출력, 속도, 초점 등의 파라미터를 조정하여 특정 재료에 맞게 조정할 수 있습니다.
EBM 시스템 공급업체
| 공급업체 | 주요 세부 정보 | 시작 가격 범위 |
|---|---|---|
| 공급업체 1 | EBM 기술의 선구자. 가장 큰 설치 기반. | $1.2-$1.5백만 |
| 공급자 2 | 소형 부품용 시스템. 더 빠른 스캔 속도. | $0.8-$1.2백만 |
| 공급업체 3 | 연구 시스템. 개방형 매개변수 제어. | $0.5-$0.8 백만 |
시스템 비용은 빌드 볼륨, 빔 출력, 포함된 액세서리 및 소프트웨어 기능에 따라 달라집니다.
EBM 시스템 공급업체를 선택하는 방법
EBM 시스템 공급업체를 선택할 때 고려해야 할 주요 요소는 다음과 같습니다:
- 기술 전문성 - 공급업체는 전자빔 물리학, 야금학 및 공정 경험에 대한 심층적인 지식이 있어야 합니다.
- 입증된 기술 - 성공적인 시스템 설치 실적이 있는 잘 알려진 공급업체를 찾아보세요.
- 애플리케이션 경험 - 공급업체는 고객의 애플리케이션 요구 사항을 이해하고 적절한 시스템 사양을 추천해야 합니다.
- 시스템 안정성 - 합리적인 가동 시간과 서비스 간격으로 견고한 EBM 시스템을 엔지니어링하는 것으로 유명한 공급업체를 선택하세요.
- 제어 소프트웨어 - 공급업체는 빌드 프로그래밍, 모니터링 및 최적화를 위한 사용자 친화적인 소프트웨어를 제공해야 합니다.
- 기술 지원 - 문제를 해결하고 프로세스 결과를 개선하는 데 도움을 줄 응답성 높은 지원 엔지니어를 찾아보세요.
- 교육 - 공급업체는 장비 작동, 유지보수 및 안전에 대한 포괄적인 교육을 제공해야 합니다.
- 향후 로드맵 - 장기적인 요구 사항을 충족하기 위해 지속적인 EBM 혁신에 투자하는 공급업체를 선택하세요.
최적화하는 방법 EBM 프로세스
고품질의 EBM 인쇄 부품을 얻으려면 다음 공정 최적화 모범 사례를 따르십시오:
- EBM에 맞춤화된 고순도 구형 분말 공급 원료로 시작하세요. 파우더의 취급, 보관 및 재사용도 중요합니다.
- 전자빔 프로파일과 초점을 보정하는 데 시간을 할애하세요. 빔 쉐이핑은 밀도를 더욱 향상시킬 수 있습니다.
- 안정적이고 균일한 용융을 위해 최적의 빔 전류와 스캔 속도를 설정합니다.
- 빌드 중에 빔 포커스를 동적으로 조정하여 지오메트리 변경을 고려합니다.
- 잔류 응력을 줄이고 균열을 방지하기 위해 핫 베드 온도를 700°C 이상으로 설정합니다.
- 윤곽과 해치 영역에 대해 파라미터를 개별적으로 조정하여 표면 마감과 해상도를 개선할 수 있습니다.
- 지지 구조를 최적화하여 충분한 고정 및 방열 기능을 제공하면서도 최소화할 수 있습니다.
- 예를 들어 티타늄 합금 설정은 니켈 초합금과 다른 등 다양한 재료 간의 매개변수 차이를 고려합니다.
- 반복적이고 경험적인 접근 방식을 취하세요. 다양한 매개 변수를 변경하면서 테스트 빌드를 실행하여 최적의 지점을 찾아보세요.
EBM용 부품 설계 방법
EBM 프로세스에 적합한 컴포넌트를 성공적으로 설계할 수 있습니다:
- 벽을 0.4mm보다 두껍게 설계하여 완전히 녹아내리고 균열을 방지합니다.
- 파우더 제거를 돕기 위해 빌드 방향으로 기울어진 표면에 5-15° 구배 각도를 포함하세요.
- 지지되지 않는 돌출부를 최소화하여 아래쪽을 향한 표면의 처짐과 결함을 줄입니다.
- EBM의 설계 자유도를 통해 격자 및 컨포멀 냉각 채널을 통합할 수 있습니다.
- 하위 어셈블리를 단일 부품으로 통합하여 품질을 개선하고 처리 단계를 줄입니다.
- 빌드 챔버에 부품을 배치하여 서포트 요구 사항을 최소화하고 레이킹 중 충돌을 방지합니다.
- 레이어 기반 구조로 인해 수평 및 수직으로 20-50% 낮은 기계적 강도를 설명합니다.
- 표면 가공이나 연삭과 같은 후처리를 위해 0.5~1mm의 추가 스톡을 허용합니다.
부품 설계 반복 과정에서 EBM 장비 운영자와 긴밀히 협력하여 공정 지식을 활용합니다.
EBM 부품 후처리 방법
EBM 인쇄 컴포넌트의 일반적인 후처리 단계는 다음과 같습니다:
- 지원 제거 - 지지 구조물이 있는 경우 손이나 절단 도구를 사용하여 조심스럽게 제거합니다.
- 스트레스 해소 - 600-800°C에서 1~3시간 동안 열처리하여 잔류 응력을 완화합니다.
- 가공 - 치수 정확도와 표면 마감을 개선하기 위한 CNC 밀링, 터닝, 드릴링.
- 그라인딩 - 자동 또는 수동 연삭을 통해 정밀한 공차와 정교한 마감 처리가 가능합니다.
- 연마 - 파우더 입자가 부착되지 않아 표면 마감이 우수합니다.
- 코팅 - 경도, 내마모성, 전기 절연성 등을 위한 기능성 코팅을 적용합니다.
- 열간 등방성 프레스(HIP) - 내부 공극을 메우고 피로 성능을 더욱 향상시킵니다.
- 가입 - 적절한 기술을 사용하여 나사 구멍, 패스너 등과 같은 기능을 통합합니다.
특정 합금 조성을 다룬 경험이 있는 자격을 갖춘 작업자를 통해 EBM 부품을 후처리합니다.
설치 및 통합 방법 EBM 부속
최종 제품에 통합하기 위해 EBM 프린트 부품을 준비할 때:
- 표면을 깨끗이 세척하여 가루와 산화를 제거합니다. 적절한 세척은 접착력을 향상시킵니다.
- 하드 아노다이징, 도금, 도장 등 필요에 따라 보호 코팅을 적용하여 부식 및 마모 방지 기능을 강화합니다.
- EBM 부품을 다른 금속 부품에 접합할 때 열팽창 차이를 고려하여 응력을 방지합니다.
- 용접, 기계적 체결, 접착제 등 소재에 적합한 접합 기술을 선택합니다.
- 용접 또는 납땜 시 예열 및 냉각 속도 제어와 같은 열 관리 기능을 사용하세요.
- 프로토타이핑 및 테스트를 사용하여 작동 부하 및 환경에서 어셈블리 기능을 검증합니다.
- 책임이 큰 애플리케이션에 필수적인 엑스레이, UT, 침투성 테스트와 같은 기술을 사용하여 결함을 검사합니다.
EBM 부품을 통합할 때 설계자 및 엔지니어와 함께 협력하여 최종 어셈블리에서 견고하고 최적화된 성능을 보장합니다.
EBM 프린터 운영 및 유지보수
최적의 EBM 프린터 작동을 유지하고 가동 중단 시간을 방지합니다:
- 공급업체 지침에 따라 정기 예방 유지보수를 수행하고 쉴드와 같이 마모된 구성 요소를 교체합니다.
- 보정 방법을 사용하여 빔의 x-y-z 정확도를 정기적으로 점검합니다. 필요한 경우 재정렬합니다.
- 누출 점검 씰, 펌프 모니터링, 주기적인 필터 교체 등 주요 진공 시스템 구성 요소를 검사합니다.
- 통합 프로세스 모니터링 센서를 정해진 주기로 보정합니다.
- 진공 품질을 지속적으로 모니터링하여 누출을 즉시 식별하고 수정합니다.
- 권장 청소 절차를 따르세요 - 빌드 챔버, 파우더 처리 시스템을 청결하게 유지하세요.
- 자격을 갖춘 기술자만 고전압 빔 공급 장치와 건을 수리할 수 있습니다.
- 쉴드, 펌프, 필터와 같은 예비/마모 부품을 비축하여 가동 중단 시간을 최소화하세요.
사용량이 적은 기간 동안 유지 관리 셧다운을 예약하세요. 빌드 간에 EBM 시스템 상태를 사전에 모니터링하세요.
장점과 단점 전자빔 용융
전자빔 용융은 기존 제조 방식에 비해 장점과 한계가 모두 존재합니다:
장점
- 다른 방법으로는 불가능한 복잡한 형상을 제작합니다.
- 하위 어셈블리를 단일 부품으로 통합합니다.
- 낭비 감소 - 필요한 재료만 사용합니다.
- 새로운 디자인을 위한 개발 시간을 단축합니다.
- 속성은 캐스팅과 같은 전통적인 수단과 같거나 더 뛰어납니다.
- 바인더나 추가 지지대가 필요하지 않으므로 더 순수한 소재를 얻을 수 있습니다.
단점
- 적은 생산량으로 부품당 비용을 높일 수 있습니다.
- 빌드 챔버에 따른 크기 제한.
- 다른 적층 제조 공정에 비해 재료 선택이 제한적입니다.
- 최종 부품을 얻기 위해 종종 후처리가 필요합니다.
- 레이어 기반 구성으로 인한 이방성 특성.
- 전자빔에 상당한 전력을 입력해야 합니다.
EBM과 기존 방법을 비교할 때는 수량, 크기, 특성, 리드 타임 및 비용을 고려해야 합니다. EBM은 복잡한 고성능 금속 부품에 탁월하지만 설정 비용이 더 높습니다.
자주 묻는 질문
Q: EBM으로 어떤 재료를 처리할 수 있나요?
A: 현재까지 주로 티타늄, 니켈, 코발트, 스테인리스 스틸 합금이 사용되었습니다. 알루미늄, 공구강, 금, 탄탈륨 등 다양한 소재에 대한 연구를 통해 소재 옵션이 확대되고 있습니다.
Q: EBM과 선택적 레이저 용융(SLM)의 주요 차이점은 무엇인가요?
A: EBM은 전자빔 에너지원을 사용하는 반면 SLM은 레이저를 사용합니다. EBM으로 달성할 수 있는 빔 출력 밀도가 높기 때문에 더 많은 내화성 금속을 가공할 수 있습니다.
Q: 어떤 산업에서 EBM 인쇄를 사용합니까?
A: 항공우주 분야는 터빈 블레이드와 같은 부품을 가장 많이 채택한 분야입니다. 하지만 의료, 자동차, 산업 분야에서도 EBM의 사용자가 증가하고 있습니다.
Q: EBM은 다공성 또는 완전 밀도 부품을 생산하나요?
A: EBM은 최적의 파라미터로 99% 이상의 밀도를 달성할 수 있습니다. 고온 빌드는 레이어 간의 확산 결합을 개선합니다.
Q: EBM으로 어떤 크기의 파트를 제작할 수 있나요?
A: 최대 크기는 빌드 엔벨로프에 의해 제한되며, 일반적으로 약 250 x 250 x 300mm입니다. 더 큰 시스템은 500mm 큐브를 목표로 개발 중입니다.
Q: EBM은 CNC 가공에 비해 얼마나 정확합니까?
A: EBM은 잘 보정된 경우 0.1-0.3mm까지 공차를 달성할 수 있습니다. 그러나 0.05mm 미만의 더 엄격한 공차에 도달하려면 가공이 필요합니다.
질문: EBM의 주요 이점은 무엇인가요?
A: 설계의 자유, 부품 통합, 신속한 프로토타이핑, 고강도 합금, 폐기물 감소, 기존 제조 방식에 비해 짧은 리드 타임.
질문: EBM에는 어떤 안전 예방 조치가 필요하나요?
A: EBM 시스템은 엑스레이 방사선을 방출하므로 빌드 챔버의 적절한 납 차폐가 매우 중요합니다. 숙련된 인력만 작동해야 합니다.