전자빔 용융 (EBM)은 항공우주, 의료, 자동차 등의 분야에 사용되는 적층 제조 기술입니다. EBM은 전자빔을 동력원으로 사용하여 금속 분말을 층별로 선택적으로 녹여 완전히 밀도가 높은 부품을 제작합니다.
전자빔 용융 장비 프로세스 개요
전자빔 용융은 고출력 전자빔 건을 사용하여 금속 분말을 선택적으로 용융하는 방식으로 작동합니다. 이 공정은 이동식 빌드 플레이트의 고진공 챔버에서 진행됩니다. 주요 세부 사항은 다음과 같습니다:
- 전자빔 건은 전자기 코일과 고전압 전위를 사용하여 집중된 고에너지 전자 빔을 생성합니다.
- 전자 빔은 CRT 텔레비전의 음극선과 유사하게 자기 방향으로 향합니다.
- 빌드 플레이트는 금속 분말의 녹는점의 약 절반으로 예열됩니다.
- 금속 분말은 카세트에서 중력으로 공급되어 빌드 플레이트 전체에 얇은 층으로 긁어냅니다.
- 전자 빔이 각 층을 스캔하여 CAD 모델을 기반으로 영역을 용융합니다.
- 이 과정은 전체 부품이 만들어질 때까지 레이어별로 반복됩니다.
- 서포트는 부품을 플레이트에 고정하기 위해 제작되지만 레이저 기반 공정보다 제거하기가 더 쉽습니다.
- 일반적인 소재는 티타늄, 니켈 합금, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 코발트 크롬입니다.
혜택: 미세한 미세 구조와 기계적 특성이 단조 소재와 일치하는 완전 고밀도 부품. 표면 마감과 치수 정확도가 우수합니다.
단점: 호환 가능한 합금의 수가 제한되어 있고, 레이저 기반 프로세스보다 장비 비용이 높으며, 제작 속도가 느립니다.
애플리케이션: 항공우주 부품, 정형외과 임플란트, 자동차 부품, 컨포멀 냉각 채널, 금속 격자.
전자빔 용융에 사용되는 금속 분말 공급 원료
금속 분말 공급 원료는 부품 품질과 재료 특성에 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 사용되는 합금은 다음과 같습니다:
최적의 크기 분포의 미세 분말은 부드러운 파우더 베드 안정성과 균일한 층을 보장하여 부품 품질을 향상시킵니다. 플라즈마 분무 및 가스 분무는 층 증착 시 패킹에 적합한 구형 분말을 생성합니다.
공급업체: AP&C, 카펜터 애디티브, 샌드빅 오스프리, 프렉스에어, LPW 테크놀로지
전자빔 용융 프로세스 매개변수
EBM 머신은 스캔 전략을 생성하고 빌드 파라미터를 최적화하기 위해 독점 소프트웨어를 활용합니다. 몇 가지 주요 파라미터는 다음과 같습니다:
플레이트는 고온으로 가열되어 취성을 줄이고 응력을 완화하며 큰 열 구배를 방지합니다. 빔 속도와 해치 간격은 분말의 각 단위 면적에 투입되는 에너지의 양을 결정합니다. 빔 초점과 층 두께도 국소 용융 조건에 영향을 미칩니다. 다양한 스캐닝 접근 방식은 잔류 응력과 미세 구조에 영향을 미칩니다.
전자빔 적층 제조의 장점
EBM의 장점은 다음과 같습니다:
| 기능 | 혜택 |
|---|---|
| 높은 빔 출력 밀도 | 빠른 용융 및 응고로 미세한 미세 구조 촉진 |
| 진공 환경 | 깨끗한 재료 처리로 산화물 내포물 및 공극 최소화 |
| 고온 예열 | 잔류 응력 및 변형 감소 |
| 완전 용해 | 단조 소재와 유사한 99.9% 이상의 밀도 달성 |
| 지원 앵커 | 레이저의 섬세한 격자 지지대에 비해 쉽게 제거할 수 있습니다. |
| 빌드당 여러 부품 | 소형 부품의 효율적인 생산 |
고도로 집중된 전자 빔은 파우더 베드에 매우 빠르고 정밀하게 에너지를 증착할 수 있습니다. 진공은 오염을 방지하고 예열은 바람직한 재료 특성을 제공합니다. 이를 통해 복잡한 부품의 전체 밀도를 높일 수 있습니다.
다른 프로세스와의 한계 및 비교
| 제한 사항 | 레이저와 비교 |
|---|---|
| 더 높은 장비 비용 | 75만 달러 이상의 전자 빔 시스템 대 30만 달러의 레이저 시스템 |
| 느린 빌드 속도 | EBM의 경우 시간당 최대 110cm3, 레이저의 경우 시간당 150cm3 |
| 제한된 합금 | 레이저용 20개 이상의 상용 합금 대 EBM용 10개 |
| 부품 크기 | EBM의 경우 최대 1500 x 1500 x 1200mm, 레이저의 경우 1000mm 큐브 |
| 표면 마감 | 25마이크론의 더 거친 EBM과 DMLS의 12마이크론 비교 |
| 열 영향 구역 | 빠른 응고로 인해 EBM이 더 작아짐 |
집속 전자 빔은 레이저보다 더 작은 용융 풀을 형성하고 더 빠르게 스캔하여 결함을 줄일 수 있습니다. 하지만 현재 레이저 기반 DMLS와 SLM은 더 빠른 제작 속도와 더 나은 표면 마감을 자랑합니다. 또한 더 나은 파우더 확산 및 재코팅 메커니즘을 통해 레이저 파우더 베드 융합 공정에서 호환 가능한 합금의 범위가 훨씬 더 빠르게 확장되고 있습니다.
애플리케이션 전자빔 용융 부품
EBM을 사용하는 일부 산업 분야는 다음과 같습니다:
| 산업 | 구성 요소 |
|---|---|
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 로켓 부품, UAV 부품 |
| 의료 | 고관절, 무릎, 외상 장치와 같은 정형외과 임플란트 |
| 자동차 | 컨포멀 냉각 라인, 프로토타입 |
| 툴링 | 컨포멀 채널이 있는 사출 금형 |
| 에너지 | 오일 및 가스 환경용 밸브, 펌프 |
진공 처리로 인해 EBM은 티타늄 및 탄탈륨과 같은 반응성 금속에 매우 적합합니다. 내부 형상이 복잡한 TI-6Al-4V 항공우주 부품을 제조하는 데 광범위하게 사용되었습니다. 의료 분야에서는 뼈와 같은 다공성 구조를 가진 환자 맞춤형 임플란트에 EBM 코발트 크롬과 스테인리스 스틸이 사용됩니다.
자동차, 에너지 및 공구 산업에서는 컨포멀 냉각 설계가 적용된 경량 프로토타입, 지그 및 픽스처에 DMLS와 EBM을 점점 더 많이 활용하고 있습니다. 이를 통해 처리 시간과 열 관리가 개선됩니다.
전자빔 용융 장비 공급업체
주요 EBM 시스템 제조업체는 다음과 같습니다:
Arcam은 1997년에 설립되었으며 현재 GE Additive의 일부입니다. 처음에는 의료용 임플란트 생산에 주력했지만 현재는 항공우주 및 자동차 분야도 공략하고 있습니다. Sciaky는 최대 10피트 길이의 티타늄 및 니켈 합금을 위한 대규모 산업용 EBM을 제공합니다. 애디티브 인더스트리, 트럼프, 제너럴 아토믹스도 고급 응용 분야를 위한 EBM 금속 3D 프린터를 개발 중입니다.
고객은 전체 EBM 설정을 구매하는 것 외에도 전 세계에 있는 GE의 광범위한 서비스 센터를 이용하거나 금속 적층 제조 계약을 제공하는 현지 전문 제조업체와 협력할 수도 있습니다.
전자빔 적층 제조의 미래 전망
전자빔 용융의 전망은 복잡한 내부 기하학적 구조를 가진 고성능 금속 부품을 필요로 하는 산업 전반에 걸쳐 유망해 보입니다:
- 다양한 합금 옵션 &8211; 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리
- 전체 연료 어셈블리 또는 항공기 도어 인쇄를 위한 대형 제작 봉투
- 멀티 빔 시스템을 통한 빌드 속도 향상
- EBM과 컴퓨터화된 CNC 가공을 결합한 하이브리드 제조
- 향상된 재료 특성을 위한 설계별 파라미터
- 현장 모니터링 및 수정을 위한 폐쇄 루프 제어
- 측면 표면 거칠기 개선을 위한 특수 후처리
- 잔류 응력 및 왜곡 효과를 모델링하는 시뮬레이션 툴
속도, 크기 제약, 합금 가용성의 한계를 극복하고 비용 곡선을 낮춤으로써 EBM 사용량은 현재 4억 달러 규모의 시장에서 2030년까지 50억~100억 달러로 성장할 수 있습니다. 항공우주, 의료, 자동차, 에너지 부문이 향후 10년간 이러한 급격한 성장을 주도할 것으로 예상됩니다.
자주 묻는 질문
전자빔 적층 제조에 대해 자주 묻는 질문에 대한 답변은 다음과 같습니다:
EBM으로 어떤 자료를 처리할 수 있나요?
가장 일반적인 합금은 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI 및 CoCr이며, 인코넬 718과 같은 니켈 합금, 알루미늄 합금, 공구강, 스테인리스강 316L도 사용됩니다. 분말 공급 원료의 구성과 품질은 항공우주 및 생물의학 사양을 충족해야 합니다.
EBM은 얼마나 정확한가요?
치수 정확도는 최대 ±0.2%에 이르며 일반적으로 허용 오차는 ±100미크론입니다. 그러나 엄격한 통계 분포를 달성하려면 표면 마감을 개선하기 위해 열간 등방성 프레스 및 기계 가공이 필요한 경우가 많습니다.
어떤 산업에서 이 기술을 사용하나요?
오늘날 항공우주, 방위, 우주, 의료 및 치과, 자동차 경주, 석유 및 가스 산업에서 주로 EBM을 사용합니다. 높은 챔버 온도와 결합된 높은 빔 에너지는 반응성 재료 가공과 우수한 재료 특성을 촉진합니다.
EBM은 선택적 레이저 용융(SLM)과 어떻게 다릅니까?
EBM은 SLM에 비해 인장 강도와 연신율이 우수한 완전 고밀도 Ti-6Al-4V 부품을 생산합니다. 또한 반응성 소재를 더 잘 처리하고 오염 문제가 적습니다. 하지만 현재 SLM은 더 높은 해상도, 12미크론까지 미세한 표면 마감, 더 빠른 제작 속도를 지원합니다.
EBM 부품에는 어떤 후처리 방법이 사용되나요?
연마 블라스팅, 컷오프 휠 또는 와이어 EDM을 통해 서포트를 제거한 다음 응용 분야별 치수 및 표면 거칠기 요구 사항을 충족하도록 가공, 연마 또는 연마합니다. 열간 등방성 프레싱(HIP)은 내부 보이드 제거와 응력 완화에 도움이 됩니다.
EBM을 사용하여 어떤 유형의 내부 채널과 지오메트리를 생성할 수 있나요?
얕은 각도의 직선형 냉각 채널, 얇은 벽 구조, 격자 및 메시 형상이 일반적입니다. 소주골 구조와 같은 복잡한 자유형 형상도 가능합니다. 0.4mm까지 피처 크기가 시연되었지만 레이어 두께에 따라 확장할 수 있습니다.
결론
요약하면, 전자빔 용융은 항공우주, 의료, 자동차, 방위 산업 전반에 걸쳐 복잡한 고성능 금속 부품을 제조하는 데 있어 기존 제조 기술에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 대량 제작, 다중 빔 시스템, 특수 후처리를 중심으로 기능이 지속적으로 개선됨에 따라 향후 10년간 운송, 에너지, 산업 생산 산업에서 더 폭넓게 채택될 것으로 예상됩니다.