전자빔 용해(EBM)는 전자빔을 사용하여 금속 분말을 층별로 선택적으로 녹여 완전히 밀도가 높은 부품을 만드는 적층 가공 공정입니다. 이 가이드는 다음 사항에 대한 심층적인 개요를 제공합니다. EBM 프로세스 작동 방식, 재료, 응용 프로그램, 장점, 설계 고려 사항, 장비, 후처리, 품질 관리, 비교, 비용 및 FAQ를 포함합니다.
전자빔 용해(EBM) 소개
전자빔 용융은 전자빔이 분말층의 영역을 선택적으로 융합하여 부품을 층별로 구성하는 분말층 융합 적층 제조의 한 유형입니다.
EBM의 주요 이점은 다음과 같습니다.
- 완전 밀도의 금속 부품
- 우수한 기계적 성질
- 표면 조도 및 해상도가 우수함
- 높은 제작 속도와 부품당 낮은 비용
- 최소한의 지원 구조가 필요함
- 반복 가능하고 일관된 결과
EBM을 사용하면 항공우주, 의료, 자동차 및 산업 응용 분야 전반에 걸쳐 복잡한 고성능 금속 부품을 직접 생산할 수 있습니다.
EBM 프로세스의 작동 방식
EBM 프로세스에는 다음과 같은 주요 단계가 포함됩니다.
전자빔 용해 공정
- 레이어로 분할된 CAD 모델
- 파우더가 얇은 층으로 퍼짐
- 전자빔으로 분말을 스캔하고 녹입니다.
- 이전 레이어에 융합된 레이어
- 부품이 만들어질 때까지 레이어별로 반복
- 융합되지 않은 파우더 지지부
- 기계에서 제거 및 후처리
분말 층을 선택적으로 녹임으로써 복잡한 형상을 디지털 데이터에서 직접 제작할 수 있습니다.
EBM용 소재
EBM은 다음을 포함한 다양한 전도성 재료를 처리할 수 있습니다.
- Ti6Al4V와 같은 티타늄 합금
- 코발트 크롬 합금
- 니켈 기반 초합금
- H13과 같은 공구강
- 알루미늄 합금
- 순수 구리
- 금, 은 등 귀금속
AM에 최적화된 표준 및 맞춤형 합금 모두 EBM 기술로 프린팅할 수 있습니다. 분말층 특성으로 인해 합금은 다른 방법으로는 쉽게 가공되지 않습니다.
EBM 애플리케이션
EBM은 다음과 같은 이점을 누릴 수 있는 구성 요소에 매우 적합합니다.
- AM에서만 가능한 복잡한 형상
- 짧은 리드 생산 시간
- 높은 중량 대비 강도 비율
- 우수한 피로 및 파괴 저항성
- 우수한 기계적 성질
- 생체적합성 및 내식성
- 고온 성능
- 부품 통합 – 조립 단계 감소
산업 응용 분야는 다음과 같습니다.
- 항공우주: 구조용 브래킷, 터보차저 휠, 엔진 부품
- 의료: 정형외과 임플란트, 수술 기구
- 자동차: 경량화된 격자 구조
- 산업용: 열 교환기, 유체 취급 부품
EBM은 광범위한 합금 옵션과 탁월한 기계적 특성 덕분에 여러 부문에 걸쳐 혁신적인 설계를 지원합니다.
전자빔 용융 적층 가공의 장점
EBM 프로세스의 주요 이점은 다음과 같습니다.
- 완전 밀도의 금속 부품 – 99.9%+ 밀도 일치 및 초과 주조 특성에 도달합니다.
- 기계적 특성 – 강도, 피로수명, 경도, 내결손성이 우수합니다.
- 높은 빌드 속도 – 여러 영역을 동시에 스캔하여 시간당 100 cm3 이상 가능합니다.
- 낮은 운영 비용 – 전기는 주요 운영 비용입니다. 레이저 기반 공정보다 에너지 소비가 적습니다.
- 최소한의 지원 – 제작 중 부품이 자체적으로 지지되므로 지지대 제거 후 처리가 거의 필요하지 않습니다.
- 분말 재활용성 – 사용하지 않은 분말을 재사용할 수 있어 재료비를 대폭 절감할 수 있습니다.
- 폐기물 감소 – 매우 높은 분말 재사용률과 거의 정형에 가까운 생산으로 인해 가공 공정보다 폐기물이 줄어듭니다.
- 부품 통합 – 어셈블리를 단일 인쇄 부품으로 결합하여 제조 및 어셈블리 단계를 줄입니다.
항공우주, 의료, 자동차 및 산업 응용 분야의 금속 생산을 위해 EBM은 다른 방법으로는 쉽게 따라올 수 없는 고성능 적층 제조 결과를 제공합니다.
EBM 설계 고려 사항
EBM의 이점을 최대한 활용하려면 설계가 AM 설계 원칙을 따라야 합니다.
- 기계 가공으로는 불가능한 유기적이고 생체공학적인 형태를 사용합니다.
- 적절한 형상을 설계하여 지지대 최소화
- 속도와 강도의 균형을 위해 벽 두께 최적화
- 최소 피처 크기 기능 고려
- 분해능과 기계적 특성을 극대화하도록 부품 방향 조정
- 가능한 경우 하위 어셈블리를 단일 부품으로 통합합니다.
- 층별 제조의 효과를 고려하십시오.
- 녹지 않은 분말 제거를 위한 내부 채널 설계
경험이 풍부한 AM 엔지니어링 전문가와 협력하여 EBM 기능에 맞는 고성능 부품을 설계하십시오.
EBM 공정용 장비
EBM 시스템은 다음으로 구성됩니다.
- 전자빔 칼럼 – 강력한 전자빔
- 파우더 카세트 – 신선한 분말을 전달
- 파우더 호퍼 – 분말을 층상으로 공급
- 탱크 만들기 – 빌드 플랫폼과 성장하는 부분을 포함합니다.
- 진공펌프 – 빌드 중 높은 진공 상태를 유지합니다.
- 컨트롤 – 빌드를 준비하고 모니터링하는 소프트웨어
산업용 EBM 시스템은 프로토타입 제작과 대량 생산을 모두 가능하게 합니다. 제조업체에는 Arcam EBM 및 GE Additive가 포함됩니다.
주요 EBM 기계 사양:
- 봉투 크기 제작 – 직경 최대 500mm, 높이 최대 380mm
- 빔 전력 – 최대 3.7kW
- 빔 초점 – 최소 0.1mm 스폿 크기
- 제작 속도 – 시간당 700cm3 이상 가능
- 진공 – 10-4mbar의 높은 진공 필요
- 정밀한 레이어 제어 – 0.05mm 두께
다중 분말 호퍼 또는 빔 건과 같은 옵션을 사용하면 더 높은 처리량을 얻을 수 있습니다. 통합 진공 펌프를 사용하여 인쇄하는 동안 빌드 챔버는 고진공 상태로 유지됩니다.
EBM 후처리
프린팅 후 부품은 후처리를 거칩니다.
- 분말 제거 – 여분의 분말은 회수하여 체로 걸러 재사용합니다.
- 지원 제거 – 최소한의 수동 지지대 제거 필요
- 열처리 – 필요에 따라 응력 완화 및 미세 구조 변경
- 표면 마감 – 필요한 경우 기계 가공, 블라스팅, 연삭 또는 연마
지지 구조가 최소화되고 EBM 기계에서 직접 고밀도가 달성되므로 후처리는 다른 AM 방법에 비해 상대적으로 간단합니다.
EBM을 위한 품질 관리
일관된 고품질 결과를 얻으려면 다음과 같은 절차가 필요합니다.
- 매개변수를 입력하고 속성을 확인하는 검증 빌드
- 분말 특성 모니터링 및 재사용
- 자격을 위한 기계적 특성 테스트
- 복잡한 내부 형상의 CT 스캐닝 또는 X-Ray 검사
- 치수 정확도 검사
- 표면 거칠기 측정
- 빌드 매개변수 및 배치 추적성에 대한 문서화
- EBM 장비의 주기적인 교정 및 유지보수
부품 인증이 필요한 규제 부문에 맞춰진 엄격한 품질 시스템을 갖춘 숙련된 공급업체와 협력하세요.
EBM을 다른 적층 방법과 비교하는 방법
EBM 대 SLM:
- EBM은 전자를 사용하고 SLM은 레이저를 사용합니다.
- EBM은 빌드 속도가 더 높고 SLM은 더 미세한 해상도를 제공합니다.
- EBM에는 불활성 가스가 필요하지 않지만 SLM은 일반적으로 질소를 사용합니다.
- 둘 다 파우더 베드에서 거의 밀도가 높은 금속 부품을 생산합니다.
EBM 대 바인더 제팅:
- EBM은 분말을 녹이고 바인더 분사로 입자를 서로 붙입니다.
- EBM은 99% 이상의 밀도가 높은 부품을 생성하는 반면 바인더 제트는 소결이 필요한 "친환경" 부품을 생성합니다.
- EBM 금속은 우수한 특성을 유지하는 반면 바인더 제트는 성능이 낮습니다.
EBM 대 DED:
- EBM은 DED에 파우더 베드와 블로운 파우더를 활용합니다.
- EBM은 정확도와 표면 마감이 더 높고 DED는 더 빠릅니다.
- EBM에는 최소한의 지원이 있고 DED에는 더 많은 지원이 필요합니다.
중소 규모의 최종 사용 금속 부품의 경우 EBM은 비용면에서 다른 분말 기반 AM 공정과 유리하게 경쟁합니다.
EBM 부품의 비용 분석
EBM 부품 비용을 분석할 때 주요 요소는 다음과 같습니다.
- 기계 비용 – 시간당 운영 임대 요금. ~$100-$300/시간을 실행합니다.
- 노동 – 부품 설계, 최적화, 전/후 처리.
- 가루 – 재료 선택 및 재사용률은 비용에 큰 영향을 미칩니다.
- 에너지 – EBM 기계 및 보조 장비를 구동하기 위한 전기.
- 품질 관리 – 테스트 정도는 응용 프로그램에 따라 다릅니다.
- 후처리 – 대부분 자동화된다는 것은 처리 비용이 낮다는 것을 의미합니다.
- 용량 – 설정은 대량 구매 시 고정 비용으로 상각됩니다.
생산 애플리케이션에 맞춰진 EBM 설계 규칙과 품질 절차를 활용하면 다른 방법으로는 달성할 수 없는 매우 비용 효과적인 금속 부품을 얻을 수 있습니다.
EBM 기술의 혁신 동향
EBM 기술 및 애플리케이션의 발전은 다음과 같습니다.
- 더 큰 빌드 범위와 더 빠른 스캔 속도로 더 많은 양의 생산 가능
- 처리량 증가를 위한 차세대 멀티빔 시스템
- 구리, 알루미늄 및 맞춤형 합금과 같은 확장된 재료 옵션
- 자동화된 분말 처리 및 내부 계측 장비
- 하이브리드 EBM 및 CNC 머시닝 센터
- "AM을 위한 설계"를 위한 EBM 기능을 통합한 설계 소프트웨어
- 분산 제조 모델을 통한 공급망 최적화
이러한 혁신은 기술의 품질, 일관성 및 성능을 높이 평가하는 규제 산업 전반에서 EBM 채택을 증가시킬 것입니다.
자주 묻는 질문
Q: EBM으로 어떤 재료를 처리할 수 있나요?
A: 티타늄, 니켈 초합금, 공구강, 코발트 크롬, 알루미늄 및 귀금속이 일반적으로 가공됩니다. AM에 최적화된 표준 합금과 맞춤형 합금을 모두 사용할 수 있습니다.
Q: 어떤 산업에서 EBM을 사용하나요?
A: 항공우주, 의료, 자동차 및 산업 분야에서는 기존 방식으로는 쉽게 제조할 수 없는 고성능 최종 사용 금속 부품에 EBM을 활용합니다.
Q: 일반적인 표면 마감은 무엇입니까?
A: 15-25미크론 Ra 범위의 인쇄된 표면 마감이 일반적이지만 필요한 경우 후처리를 통해 더욱 개선할 수 있습니다.
Q: EBM은 CNC 가공에 비해 얼마나 정확합니까?
A: 0.1-0.3% 이내의 치수 정확도는 EBM 기술의 표준이며, 대부분의 기능에 대해 가공 정확도와 비슷하거나 그 이상입니다.
Q: 어떤 유형의 내부 채널과 형상을 생성할 수 있습니까?
A: EBM 기술을 사용하면 직경이 1~2mm에 불과한 복잡한 자유형 채널과 격자를 안정적으로 제작할 수 있습니다.
Q: EBM 부품을 전기도금할 수 있나요?
A: 예, EBM 부품은 전기 전도성이 있으며 필요한 경우 크롬, 금 또는 은 도금과 같은 도금을 쉽게 수용할 수 있습니다.
Q: 기계적 특성이 단조 금속과 비슷합니까?
A: 예, EBM 부품은 단조 부품의 인장 강도, 피로 및 파괴 저항성을 충족하거나 초과합니다.
Q: 부품을 제작하는 데 얼마나 걸리나요?
A: 제작 속도는 형상에 따라 다르지만 최신 EBM 기계에서는 시간당 5~20cm3 범위이므로 신속한 처리가 가능합니다.
Q: EBM에는 지원이 필요합니까?
A: 파우더 베드 온도가 높기 때문에 최소한의 지지대가 필요합니다. 후처리 시간을 단축합니다.
Q: EBM은 환경 친화적인가요?
A: EBM은 절삭 공정에 비해 높은 분말 재사용률과 낮은 폐기물로 인해 우수한 지속 가능성 자격을 보유하고 있습니다. 부품당 에너지 사용량은 최신 장비로 인해 감소하고 있습니다.