전자빔을 녹이는 3D 프린팅

개요

전자빔 용해 3D 프린팅은 전자빔을 에너지원으로 사용하여 금속 분말 입자를 층별로 선택적으로 녹이고 융합하여 복잡한 3D 부품을 제작하는 적층 제조 기술입니다.

다른 금속 3D 프린팅 방법과 비교하여 EBM은 뛰어난 기계적 특성, 높은 제작 속도, 진공 처리 이점 및 반응성 재료에 대한 적합성과 같은 뚜렷한 이점을 제공합니다. 그러나 높은 장비 비용과 제한된 재료 옵션으로 인해 EBM 사용은 항공우주, 의료 및 자동차 분야의 까다로운 응용 분야에만 국한되었습니다.

이 포괄적인 가이드에서는 EBM 기술, 프로세스, 재료, 애플리케이션, 시스템 제조업체, 비용, 장점/제한 사항 및 기타 FAQ를 다루며 제조업체가 EBM이 자신의 요구 사항에 적합한 금속 AM 솔루션인지 평가하는 데 도움이 됩니다.

어떻게 전자빔 용해 3D 프린팅 공장

EBM 인쇄에는 다음과 같은 주요 단계가 포함됩니다.

3D 모델 준비

• EBM에 최적화된 CAD 모델 – 벽 두께, 지지대, 방향 등

.STL로 파일 변환

• 삼각형 면 .STL 파일로 변환된 CAD 형상

기계 설정

• 빌드 매개변수 입력 - 속도, 전력, 초점 오프셋 등
• 재료가 로드되고, 분말 특성에 따라 매개변수가 조정됨

파우더 레이킹

• 제어된 레이어의 빌드 플랫폼 위에 균일하게 긁어낸 파우더

전자빔 용융

• 집중된 전자빔은 분말을 선택적으로 녹여 각 층을 형성합니다.
• 진공 환경으로 산화 방지

플랫폼 하강

• 레이어가 녹은 후 플랫폼은 레이어 두께만큼 아래로 인덱싱됩니다.
• 이전 층 위에 새로운 파우더 층이 퍼짐

기계에서 제거

• 제작된 부품에서 과도한 분말이 제거됨
• 분리된 지지 구조물
• 필요한 경우 후처리 완료

레이어별 구축 프로세스를 통해 뛰어난 특성을 지닌 복잡하고 최적화된 기하학적 구조를 구현할 수 있습니다.

EBM 3D 프린팅용 재료

EBM은 다양한 금속 합금과 호환됩니다.

재질	주요 속성	애플리케이션
티타늄 합금	고강도, 낮은 중량비	항공우주, 의료용 임플란트
니켈 초합금	내열성 및 내식성	터빈 블레이드, 로켓 노즐
코발트크롬	생체적합성, 높은 경도	치과용 임플란트, 의료기기
공구강	우수한 내마모성	절삭 공구, 금형, 다이
스테인리스 스틸	내식성, 높은 연성	펌프, 밸브, 용기

EBM에 최적화된 표준 합금과 맞춤형 합금을 모두 프린팅할 수 있습니다. 새로운 재료가 원하는 특성을 얻으려면 매개변수 조정이 필요합니다.

EBM 기계 공급업체

주요 EBM 장비 제조업체는 다음과 같습니다.

공급업체	주요 기계 모델	봉투 작성
Arcam EBM (GE 첨가제)	Arcam A2X, Q10plus, 스펙트럼 H, 스펙트럼 L	254x254x380mm
Velo3D	사파이어	250x250x300mm
레이샴	에밤 300	300x300x300mm
스키아키	이밤 110	1100x1100x900mm
절	JEM-ARM300F	300x300x300mm

Arcam EBM은 상용 EBM 시스템을 개척했습니다. 최근에는 다른 공급업체도 합류하여 재료 및 크기 역량을 확장했습니다.

사양

일반적인 EBM 시스템 사양:

매개변수	사양
빔 파워	최대 12kW
가속전압	60kV
빔 전류	최대 40mA
빔 크기	최소 200μm
스캔 속도	최대 8000m/s
초점 오프셋	자동, 0~5mm 설정 가능
진공	5 x 10-4mbar
레이어 두께	50-200 μm
최대 빌드 크기	1100x1100x900mm
반복성	빌드 높이 ± 0.2%

더 높은 출력과 더 미세한 초점은 더 선명한 용융 풀과 더 나은 형상 해상도를 제공합니다. 더 큰 빌드 엔벨로프는 배치 생산을 용이하게 합니다.

EBM 디자인 원칙

주요 EBM 부품 설계 원칙:

• 왜곡을 방지하기 위해 지지되지 않는 표면을 최소화합니다.
• 지지를 피하기 위해 45° 이상의 자체 지지 각도를 사용하십시오.
• 녹지 않은 분말 제거를 위한 내부 채널 설계
• 최종 부품 치수와 비교하여 ~20% 수축을 고려합니다.
• 복잡한 영역으로의 파우더 흐름을 개선하는 텍스처링 포함
• 균일한 가열과 효율적인 포장을 위한 부품 배치
• 갇힌 분말을 최소화하는 구조 설계
• 떨어지는 것을 방지하기 위해 오버행을 30° 이상으로 유지하십시오.
• 필요한 경우 등각 격자 지지대 사용

EBM 설계의 자유를 통해 어셈블리를 최적화되고 가벼운 모놀리식 부품으로 통합할 수 있습니다.

EBM의 응용

EBM은 다음과 같은 경우에 이상적입니다.

항공우주 및 자동차:

• 터빈 블레이드, 연료 인젝터, 구조 프레임, 복잡한 인클로저

의료:

• 생체적합성을 요구하는 정형외과용 임플란트, 보철물, 수술도구

산업:

• 경량 로봇 부품, 부식되기 쉬운 유체 취급 부품

방어:

• 냉각 채널 및 마운트와 같은 내구성이 뛰어난 맞춤형 구성 요소

연구개발:

• 새로운 합금, 금속 매트릭스 복합재 및 격자 구조

EBM은 설계 자유도, 엔지니어링 특성 및 제조 경제성이 결합되어 있어 중요한 애플리케이션에 적합한 프로세스입니다.

비용 분석

EBM 시스템 및 부품 생산 비용은 다음에 따라 달라집니다.

기계 구매

• 중형 생산 기계의 경우 ~$800,000
• 대규모 시스템을 위한 수백만 달러 투자

재료비

• 분말의 범위는 $100-500/kg입니다.
• Ti64와 같은 일부 합금은 프리미엄 가격을 요구합니다.

운영 비용

• 평균 기계 비용 ~$50-150/시간
• 전/후 처리 인력

부품 크기

• 부품이 클수록 더 많은 재료와 제작 시간이 필요합니다.
• 효율성을 위해 작은 부품을 중첩할 수 있음

후처리

• 열처리, CNC, 마무리 비용 증가

부품당 총 비용

• 소형 부품 ~ 입방인치당 $20-$50
• 입방인치당 대형 부품 ~$5-$15

일괄 생산 및 네스팅을 통해 활용도가 높아지면 부품당 비용이 낮아집니다.

공정 제어 및 최적화

제어해야 할 중요한 공정 매개변수:

• 파워 – 용융 풀 크기, 침투, 구축 속도에 영향을 미칩니다.
• 속도 – 해상도, 표면 마감, 침전물 형태에 영향을 미칩니다.
• 초점 오프셋 – 빔 형상, 침투, 결함 제어
• 레이어 두께 – Z축 해상도, 빌드 시간 결정
• 해치 간격 – 필요한 밀도를 달성하도록 조정하고 볼링을 방지합니다.
• 스캔 전략 – 단방향, 아일랜드, 윤곽 패턴은 잔류 응력 및 왜곡에 영향을 미칩니다.
• 예열 – 분말 소결을 향상시키고 균열 및 뒤틀림을 줄입니다.

용융 풀 연구 및 미세 구조 특성 분석과 결합된 실험 설계는 원하는 특성을 달성하기 위한 매개변수 선택을 알려줍니다.

포스트 프로세싱

일반적인 EBM 후처리 단계:

• 제거 – 빌드 플레이트에서 부품을 분리하기 위한 분말 제거
• 지원 제거 – 필요한 경우 지지 구조 절단
• 스트레스 해소 – 균열 방지를 위한 열처리
• 표면 마감 – 마무리 향상을 위한 가공, 연삭, 연마
• 열간 등방성 프레스 – 열과 압력을 가해 잔여 기공을 닫고 밀도를 향상시킵니다.
• 검사 – 치수, 재질 구성, 불량 확인

지지대와 후처리를 최소화하는 것은 EBM 부품 설계 시 주요 고려 사항입니다.

자격 및 인증

규제 대상 산업을 대상으로 하는 EBM 부품에는 다음이 필요합니다.

• ASTM F2924, ASTM F3001 등과 같은 해당 표준에 따른 테스트
• 중요한 치수 및 표면 품질에 대한 광범위한 도량형 검사
• 화학적 분석, 미세구조 특성화를 통한 소재 조성 분석
• 인장, 피로, 파괴인성 시험과 같은 기계적 성질 평가
• X선 단층촬영, 액체침투탐상검사 등을 이용한 비파괴검사
• 파우더, 빌드 매개변수, 후처리 등에 대한 전체 추적성을 문서화합니다.
• 관련 기관의 공식적인 부품 자격 및 인증

확립된 프로토콜과 표준을 따르면 부품이 엄격한 품질 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

EBM은 다른 Metal AM과 비교

EBM의 장점

• 더 빠른 냉각으로 우수한 재료 특성
• 높은 생산성과 낮은 부품당 비용
• 최소한의 지원 구조가 필요함
• 잔류 응력 및 변형의 영향을 받지 않음
• 진공 환경으로 산화 방지
• 레이저 공정에 비해 낮은 열 구배

제한 사항

• 전도성 재료만 해당, 현재 재료 옵션이 제한됨
• 레이저 AM보다 더 많은 기하학적 제약
• 거친 표면 마감에는 사후 가공이 필요한 경우가 많습니다.
• 장비 비용이 레이저 시스템보다 높습니다.

EBM의 성공적인 구현

EBM 채택의 핵심:

• 부품 적용 요구 사항과 EBM 기능을 평가합니다.
• 예상되는 기계 활용도를 평가하여 ROI 결정
• 기획 시 후처리 시간/비용 고려
• 경험이 풍부한 서비스 기관과 협력하여 학습 곡선을 최소화하세요.
• 최적의 제조 가능성을 위해 EBM 설계 전문 지식을 활용하여 부품을 재설계합니다.
• 프로토타입에서 대량 생산으로 전환하여 생산성 극대화
• 강력한 품질 관리 및 인증 프로토콜 구현

전체적인 구현 접근 방식을 통해 기업은 EBM의 이점을 활용하고 생산 리더가 될 수 있습니다.

자주 묻는 질문

EBM에는 어떤 재료가 사용되나요?

티타늄 합금, 니켈 초합금, 공구강, 코발트크롬 및 스테인리스강이 일반적입니다. EBM에 최적화된 표준 합금과 맞춤형 합금을 모두 프린팅할 수 있습니다.

EBM의 비용은 다른 금속 AM 공정과 어떻게 비교됩니까?

EBM 기계와 분말 공급원료는 레이저 기반 AM 시스템보다 비쌉니다. 그러나 더 높은 제작 속도와 생산성은 생산 애플리케이션의 경우 이를 상쇄할 수 있습니다.

EBM과 선택적 레이저 용융의 주요 차이점은 무엇입니까?

더 빠른 제작 속도, 높은 온도 작동 및 탁월한 재료 특성이 EBM을 차별화하는 반면, 표면 마감 및 기하학적 자유도의 제한이 주요 단점입니다.

EBM 부품에는 일반적으로 어떤 유형의 후처리가 필요합니까?

서포트 제거, 응력 완화 열처리, 열간 등방성 프레싱, CNC 가공과 같은 표면 마감이 일반적입니다. 설계 중 지지대를 최소화하면 후처리 작업이 줄어듭니다.

EBM 기술을 사용하여 어떤 크기의 부품을 제작할 수 있습니까?

소형 벤치탑 시스템은 100mm 입방체 미만의 제작 부피를 갖는 반면, 대규모 생산 시스템은 크기가 1m가 넘는 부품을 수용할 수 있습니다. 최신 대형 기계로 인해 최대 크기가 확장됩니다.

결론

EBM의 고유한 급속 용융 기능을 통해 비교할 수 없는 특성과 생산성으로 복잡한 금속 부품을 제조할 수 있습니다. 장비 비용과 재료 옵션은 지금까지 채택이 제한되어 있었지만 지속적인 발전으로 인해 항공우주, 의료, 방위, 자동차 및 에너지 부문 전반에 걸쳐 새로운 응용 분야가 열리고 있습니다. 부품 품질과 신뢰성이 지속적으로 향상되고 금속 분말의 가용성과 가격이 더욱 저렴해짐에 따라 EBM의 미래는 밝습니다. EBM의 장점을 활용하는 동시에 EBM의 한계를 고려하는 제조업체는 기존 업체를 뒤흔들고 새로운 리더가 될 준비가 되어 있습니다.

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