EBM 기술 는 고유한 기능을 갖춘 첨단 적층 제조 기술입니다. 이 가이드는 작업 방식, 이점, 응용 분야, 시스템 공급업체, 다른 3D 프린팅 프로세스와의 비교 등 EBM 기술에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.
전자빔 용해(EBM) 소개
전자빔 용융은 전자빔을 사용하여 금속 분말 입자를 층별로 선택적으로 용융하고 융합하는 적층 제조 기술입니다. 주요 특징
- 전자빔을 에너지원으로 사용하여 금속 분말을 녹입니다.
- 파우더 층을 선택적으로 용융하여 부품 제작
- 일반적인 재료는 티타늄, 니켈 합금, 공구강, 알루미늄입니다.
- 우수한 특성을 가진 완전 고밀도 부품 생산
- 주조/가공으로는 불가능한 복잡한 형상 지원
- 설계의 자유, 커스터마이징, 리드 타임 단축 제공
EBM은 항공우주, 의료, 자동차 및 기타 산업 전반의 최종 사용 부품에 뛰어난 기계적 특성, 재료 순도, 표면 마감 및 치수 정확도를 제공합니다.
이 가이드에서는 EBM 프로세스, 기술, 장점, 애플리케이션, 시스템 공급업체, 다른 적층 제조 방법과의 비교에 대한 자세한 개요를 제공합니다.
어떻게 EBM 기술 공장
전자빔 용융은 다음과 같은 주요 단계를 거쳐 부품을 제조합니다:
EBM 프로세스 단계
- CAD 소프트웨어에서 설계한 3D 모델을 .STL 파일로 변환합니다.
- 파일이 레이어로 분할되고 빌드 시퀀스가 생성됩니다.
- 금속 분말이 빌드 플레이트에 고르게 퍼집니다.
- 전자 빔이 분말을 선택적으로 스캔하고 녹여 층을 융합합니다.
- 빌드 플레이트가 낮아지고 새로운 파우더 층이 펼쳐집니다.
- 전체 부품이 레이어별로 구축될 때까지 프로세스가 반복됩니다.
- 빌드 중 미융착 파우더 서포트 파트
- 완성된 부품은 후처리를 위해 기계에서 제거됩니다.
- 빠르고 정밀한 용융 및 용접을 제공하는 고에너지 전자빔
- 순도를 위해 진공 상태에서 고온에서 공정이 진행됩니다.
- 사용하지 않은 파우더는 회수하여 재사용함으로써 폐기물을 최소화합니다.
EBM 시스템의 유형
현재 사용 가능한 EBM 시스템에는 크게 두 가지 유형이 있습니다:
EBM 시스템 유형
| 유형 | 설명 |
|---|---|
| 단일 빔 시스템 | 단일 전자빔 |
| 멀티 빔 시스템 | 다중 병렬 빔 |
- 원빔 시스템 일반적으로 50-60kW의 단일 고출력 전자빔을 사용합니다. 스캐닝 요구 사항으로 인해 빌드 속도가 느립니다.
- 멀티 빔 시스템 여러 빔을 함께 사용하여 속도를 높입니다. 스캔 시간이 크게 단축됩니다.
- 단일 빔 출력 범위는 3~6kW입니다. 멀티 빔 시스템의 총 전력은 10MW 이상입니다.
- 최신 세대 멀티 빔 시스템은 빌드 속도를 획기적으로 개선합니다.
- 빔 제어, 스캐닝 및 포커싱은 정밀 용융을 위한 중요한 하위 시스템입니다.
EBM용 소재
EBM은 다음을 포함한 다양한 금속 및 합금과 호환됩니다:
EBM 자료
| 재질 | 주요 속성 | 애플리케이션 |
|---|---|---|
| 티타늄 합금 | 고강도, 경량 | 항공우주, 의료 |
| 니켈 초합금 | 내열/내식성 | 터빈 블레이드 |
| 공구강 | 경도, 내마모성 | 툴링, 금형 |
| 스테인리스 스틸 | 내식성 | 해양 하드웨어 |
| 코발트 크롬 | 생체 적합성 | 의료용 임플란트 |
| 알루미늄 합금 | 경량 | 자동차, 구조물 |
| 구리 합금 | 전기 전도성 | 전자 제품 |
- Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금은 중요한 항공우주 부품에 가장 많이 사용됩니다.
- 니켈 초합금은 터빈 엔진과 같은 고온 환경에서 탁월한 성능을 발휘합니다.
- 공구강은 오래 지속되는 금형 및 툴링에 필요한 경도를 제공합니다.
- 생체 적합성 합금은 임플란트 및 의료 기기에 사용됩니다.
- EBM은 레이저 기반 공정보다 티타늄 및 알루미늄과 같은 반응성 금속을 더 잘 지원합니다.
EBM의 혜택 및 장점
프로덕션 애플리케이션에서 EBM을 매력적으로 만드는 주요 이점은 다음과 같습니다:
EBM 혜택
- 완전 밀도, 빈 공간 없는 부품
- 우수한 기계적 성질
- 높은 기하학적 및 치수 정확도
- 우수한 표면 마감과 섬세한 디테일
- 낮은 후처리 요구 사항
- 오염이 적은 고순도 부품
- 분말 회수로 인한 재료 낭비 감소
- 복잡한 내부 형상 지원
- 여러 부품을 하나의 디자인으로 결합
대 전통적인 제조
- 주조나 가공으로는 불가능했던 더 가볍고 튼튼한 설계 가능
- 어셈블리를 단일 인쇄 부품으로 통합합니다.
- 성형 또는 단조할 수 없는 모양 허용
- 리드 타임을 몇 개월에서 몇 주로 단축
- 소규모 배치 생산 비용 절감
EBM 애플리케이션
EBM의 장점은 다음과 같은 경우에 적합합니다:
EBM 애플리케이션
| 산업 | 용도 |
|---|---|
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 구조 프레임, 로켓 |
| 의료 | 정형외과 임플란트, 수술 도구 |
| 자동차 | 경량화 프로토타입, 맞춤형 부품 |
| 툴링 | 사출 금형, 성형 금형, 지그 및 픽스처 |
| 에너지 | 열교환기, 밸브, 펌프 |
| 전자 제품 | 차폐, 접점, 냉각 시스템 |
- 항공우주 업계에서는 더 가볍고 강한 티타늄 및 니켈 합금 부품을 만들기 위해 EBM을 광범위하게 사용합니다.
- 의료 분야에서는 임플란트용 EBM의 기하학적 자유도와 생체 적합성을 활용합니다.
- 자동차 연구원들은 이 기술을 사용하여 경량화된 최적화된 토폴로지 설계를 제작합니다.
- 사출 성형용 툴링에 컨포멀 냉각 채널을 내장할 수 있습니다.
- 석유 및 가스 산업에서는 고온, 고압 부품에 사용합니다.
- 전자제품은 EBM의 미세한 디테일과 전도성 합금의 이점을 누릴 수 있습니다.
EBM 시스템 공급업체
EBM 시스템을 제공하는 주요 제조업체는 다음과 같습니다:
EBM 기계 공급업체
| 회사 | 머신 브랜드 |
|---|---|
| Arcam EBM | Arcam A2X, Q20plus, Spectra H, Q10plus |
| GE 애디티브 | Arcam EBM 스펙트럼 L, Arcam EBM 스펙트럼 H |
| 프리멜트 | 프리멜트 원, 프리멜트 투 |
| 웨이랜드 첨가제 | Calder |
- 현재 GE Additive의 일부인 Arcam EBM은 EBM 시스템 시장을 선도하는 기업입니다.
- 프리멜트(Freemelt), 웨이랜드 애디티브(Wayland Additive)와 같은 다른 회사에서는 차세대 멀티빔 EBM 시스템을 제공합니다.
- 기계 용량은 150mm x 150mm x 150mm 빌드 볼륨부터 더 큰 1000mm 버전까지 다양합니다.
- 최신 EBM 기계는 자동화된 분말 처리 및 폐쇄 루프 재활용 기능을 제공합니다.
- 다양한 애플리케이션에 대한 맞춤형 매개변수 및 교육 지원이 제공됩니다.
EBM을 위한 비용 분석
EBM 제작 비용은 다음에 따라 달라집니다:
EBM 비용 요소
- 기계 구매 가격 - $ 50만~$ 200만 이상
- kg당 재료 분말 비용
- 부품 설계, 운영, 후처리를 위한 인건비
- 생산량
- 빌드 속도 및 활용률
- 에너지 소비량
- 장비 유지보수 및 간접비
일반적인 범위
- Ti-6Al-4V 소형 부품: $20 - 부품당 150개
- 대형 항공우주 부품: $2000 - 15,000개 이상
- 멀티 빔 시스템을 통한 대량 생산으로 최저 비용 제공
다음 간 비교 EBM 및 기타 AM 프로세스
EBM과 다른 금속 AM 비교
| EBM | 레이저 PBF | DED | 바인더 분사 | |
|---|---|---|---|---|
| 재료 | Ti, Ni, Al, 공구강 | Ti, Al, 강철, Ni | 대부분의 금속 | 스테인리스 스틸 |
| 밀도 | 완전 고밀도 99% | 완전 고밀도 99% | 99% 고밀도 | 90-95% 고밀도 |
| 정확도 | 우수, ± 0.2% | 우수, ± 0.1% | 보통, ± 1% | 보통, ± 0.5% |
| 표면 마감 | 매우 좋음, Ra 25μm | 우수, Ra 10μm | 거친 입금 | 소결 후 양호 |
| 빌드 속도 | 보통 | 빠른 | 매우 빠름 | 보통 |
| 장비 비용 | 높음 | 높음 | 보통 | 낮음 |
| 애플리케이션 | 항공우주, 의료 | 항공우주, 자동차 | 수리, 코팅, 대형 부품 | 시리즈 프로덕션 |
- 레이저 PBF는 EBM보다 빠른 빌드 속도와 정밀한 해상도를 제공합니다.
- EBM은 내부 응력이 적으면서도 우수한 소재 특성을 제공합니다.
- 바인더 제팅은 비용이 저렴하지만 최대 밀도를 위해 소결이 필요합니다.
- DED는 빠르지만 대규모 산업 애플리케이션에 적합합니다.
- 사용자는 재료, 품질, 속도 및 예산 요구 사항에 따라 프로세스를 선택합니다.
EBM의 과제와 한계
EBM의 몇 가지 과제는 다음과 같습니다:
- 높은 기계 및 재료 비용
- 제한된 장비 공급업체 및 서비스 지원
- 다른 적층 제조 방식에 비해 제한된 재료 선택
- 레이저 PBF보다 낮은 빌드 속도
- 반응성 금속분말의 취급 및 재활용
- 내부 스트레스 해소를 위한 포스트 프로세싱
- 빌드 중 진공 환경 요구 사항
현재 진행 중인 개발은 제작 속도를 높이고, 장비 비용을 낮추며, 재료 역량을 확장하고, 대량 제조를 위한 공정 확장성을 높이는 것을 목표로 합니다.
향후 전망 EBM 기술
EBM의 미래 트렌드:
- 최신 멀티빔 시스템으로 더욱 빨라진 빌드 속도
- 500mm x 500mm 이상의 대형 빌드 플랫폼
- 더 많은 알루미늄 및 구리 합금을 포함한 확장된 소재 범위
- 향상된 파우더 처리 및 폐쇄 루프 재활용
- 설계 및 프로세스 최적화를 위한 소프트웨어 개선 사항
- 최종 사용 제조를 위한 장비 비용 절감 및 광범위한 채택
- 위성 부품, 전기 운송, 툴링 및 생의학 분야의 애플리케이션
EBM 시스템의 발전으로 항공우주, 자동차, 의료, 전자, 에너지 산업 전반에 걸쳐 도입이 확대될 것입니다.
EBM 기술에 대한 주요 시사점
- EBM은 전자빔을 사용하여 금속 분말 입자를 층별로 선택적으로 녹이고 융합합니다.
- 높은 재료 순도, 밀도, 강도 및 정확도로 그물 모양에 가까운 부품을 생산합니다.
- 티타늄 합금, 니켈 초합금, 공구강, 알루미늄 합금이 일반적인 재료입니다.
- 항공우주 및 의료 분야는 오늘날 EBM의 주요 도입 분야입니다.
- 복잡한 형상에 대해 주조, 가공 및 기타 AM 방식에 비해 이점을 제공합니다.
- 멀티빔 시스템은 빌드 속도와 생산 규모를 획기적으로 개선합니다.
- 현재 진행 중인 개발은 재료 역량을 확장하고 비용을 절감하는 것을 목표로 합니다.
EBM 기술에 대한 자주 묻는 질문
Q: EBM으로 처리할 수 있는 재료에는 어떤 것이 있나요?
A: 일반적인 EBM 재료로는 티타늄 합금, 니켈 초합금, 공구강, 스테인리스강, 코발트 크롬, 알루미늄 합금, 구리 합금 등이 있습니다.
질문: EBM에서 제작하는 부품의 예로는 어떤 것이 있나요?
A: EBM은 터빈 블레이드, 구조 프레임, 엔진 부품과 같은 중요한 항공우주 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 또한 의료용 임플란트, 자동차 프로토타입, 산업용 툴링 등에도 사용됩니다.
질문: EBM은 얼마나 정확하나요?
A: EBM은 정밀한 전자빔 용융 공정으로 설계 치수 대비 ±0.2% 편차 이내의 뛰어난 치수 정확도를 제공합니다.
Q: EBM이 DMLS와 같은 금속 3D 프린팅 방식보다 빠릅니까?
A: 일반적으로 레이저 파우더 베드 용융 공정은 현재 EBM보다 빠른 제작 속도를 제공합니다. 하지만 새로운 멀티빔 EBM 시스템은 레이저 PBF 속도와 비슷하거나 그 이상을 목표로 합니다.
Q: EBM 부품에는 어떤 후처리가 필요합니까?
A: 일반적인 후처리에는 지지대 제거, 응력 완화 열처리, 열간 등방성 프레스, 표면 마감 요구 사항이 중요한 경우 기계 가공 또는 연삭이 포함됩니다.
Q: 멀티빔 EBM의 장점은 무엇인가요?
A: 다중 빔 시스템은 여러 개의 병렬 전자 빔을 사용하여 레이어를 용융합니다. 이를 통해 EBM 재료 특성을 유지하면서 훨씬 빠른 빌드 속도를 제공합니다.
Q: EBM은 다공성 또는 완전 고체 부품을 생산하나요?
A: EBM은 까다로운 응용 분야의 기능적 최종 사용에 적합한 우수한 재료 무결성과 특성을 갖춘 99% 이상의 고밀도 완전 고체 부품을 생산합니다.
질문: EBM 파우더는 어떻게 재활용되나요?
A: 사용하지 않은 파우더는 수거하여 체로 쳐서 큰 입자를 제거한 후 새 파우더와 혼합하여 기계에 다시 투입하여 재사용할 수 있습니다.
Q: EBM은 환경 친화적인가요?
A: EBM은 높은 파우더 재사용률, 폐기물 감소, 경량화에 최적화된 설계로 부품의 수명 주기 동안 재료 사용량을 줄여주는 지속 가능성 이점이 있습니다.