전자빔 금속 3D 프린터(적층 제조 기계)

금속 3D 프린터의 분류

금속 3D 프린터는 재료, 열원, 그리고 조형 방식에 따라 다음과 같이 분류됩니다. JEOL에서 제조한 JAM-5200EBM은 전자빔 분말 베드 방식(EBM 또는 EB-PBF)으로 분류됩니다.

각 유형의 금속 3D 프린터와 적층 제조(AM)의 특징은 다음 열을 확인하세요.

전자빔 금속 3D 프린터란 무엇인가요?

전자빔 금속 3D 프린터는 일반적으로 파우더 베드(powder bed) 방식을 사용하여 금속 분말로 3D 부품을 제작하는 적층 제조 기계입니다. 진공 챔버 내에서 금속 분말 원료 층을 도포합니다. 그런 다음 전자빔과 같은 열원을 사용하여 제작할 영역을 선택적으로 녹입니다. 그 후, 또 다른 금속 분말 층을 도포하고 녹이는 방식으로 층을 지속적으로 추가합니다(적층 제조). 부품을 둘러싼 여분의 분말을 제거하여 부품을 추출합니다.

전자빔 금속 3D 프린터의 구조

전자빔 금속 3D 프린터의 전자빔 소스는 주로 전자원, 자기장 렌즈, 그리고 편향 코일로 구성됩니다. 음극(전자원)에서 방출된 전자는 고전압으로 가속되어 자기장 렌즈에 의해 빔으로 응축됩니다. 또한, 편향 코일은 집속된 전자빔을 임의의 위치로 이동시켜 스캐닝을 수행합니다.
진공 챔버 내부에는 금속 분말을 저장하고 아래로 배출하는 분말 호퍼, 배출된 금속 분말을 빌드 테이블 위로 밀어 올려 매끄럽게 하는 리코터, 그리고 빌드 표면의 온도를 유지하고 주변에 금속이 쌓이는 것을 방지하는 방열판이 있습니다. 또한, 빌드 표면(베이스 플레이트)을 위아래로 움직일 수 있는 Z축 드라이브와, Z축 드라이브를 하강시켜 베이스 플레이트에 용융 및 소결된 부품과 주변 금속 분말을 저장할 수 있는 빌드 탱크가 있습니다.

전자빔 분말층법의 빌드 프로세스

다음 4단계는 전자빔 분말층법의 주요 공정을 구성합니다.

3D 디지털 설계 데이터를 전용 소프트웨어에 로드합니다. 지지체를 설정하고, 각 층과 전자빔 조사 조건에 대한 2D 슬라이스 데이터를 준비합니다.

준비된 데이터를 3D 프린터에 로드하고 3D 프린터를 진공 상태로 만듭니다.

전자빔 스캐닝은 전체 베이스 플레이트를 예열합니다.

1단계: Z축 스테이지 낮추기

빌드 탱크의 바닥판(Z축 스테이지)이 한 층 낮아집니다.

2단계: 파우더 뿌리기

리코터는 좌우로 움직여 금속 분말을 고르게 펴서 분말층을 형성합니다.

3단계: 예열(전체 파우더 베드 표면)

전자빔은 빌드 영역의 파우더 베드 표면 전체에 고속으로 조사되어 금속 파우더를 예열합니다. 이 예열은 금속 파우더를 가볍게 결합시켜 빌드 중 파우더가 흩어지는 것을 방지합니다.

4단계: 녹이기(빌드 영역)

건설할 구역에 전자빔을 선택적으로 조사하여 가열하고, 금속 분말을 녹여 응고시킵니다.

이 과정을 반복하여 3D 데이터를 기반으로 한 3D 구조를 층층이 형성합니다.

최종 레이어가 제작되면, 빌드 탱크 내부의 전체 빌드 볼륨이 냉각되고 금속 3D 프린터 내부가 환기됩니다. 부품은 임시 소결된 분말(파우더 케이크)로 둘러싸인 덩어리 형태로 꺼내집니다. 내부 부품은 파우더 회수 시스템(PRS)을 사용하여 임시 소결된 분말을 분사하여 추출됩니다.

전자빔을 열원으로 사용하는 장점

• 고성능

  일반적으로 4.5kW~6kW의 고출력 전자빔 소스가 전자 소스로 설치되어 빠른 속도의 빌드와 내화성 금속 빌드가 가능합니다.

• 높은 전송 효율

  전자빔은 음극(전자원)과 조사 대상 사이에 에너지 손실을 유발하는 광학적 구성 요소가 없기 때문에 매우 효율적인 에너지 전송이 가능합니다.

• 높은 에너지 전환율

  전자빔은 고속 전자 흐름이며, 그 운동 에너지는 표적에 조사될 때 열에너지로 변환됩니다. 레이저(빛의 한 형태)의 흡수율은 재료의 반사율에 따라 달라지지만, 전자빔의 열 변환 효율은 재료에 관계없이 최대 80% 이상입니다.

• 고속 스캐닝

  전자빔의 조사 위치는 전자기 코일을 사용하여 전기적으로 제어되므로 매우 빠른 속도의 스캐닝이 가능합니다. 금속 적층 제조에 사용되는 전자빔 소스를 사용하면 1,000m/s 이상의 속도로 전자빔을 이동시킬 수 있습니다.

• 예열

  전자빔은 고출력 및 고속 스캐닝을 가능하게 하므로, 베이스 플레이트의 파우더 베드 표면을 단시간에 수백 °C에서 1000 °C 이상으로 예열할 수 있습니다. 이 예열 단계는 완성된 부품의 잔류 응력을 줄여 기계적 특성을 향상시키고 완성된 부품의 변형이나 균열을 억제하는 데 도움이 됩니다.

• 진공 상태에서 처리

  전자빔 조사는 진공 상태에서 수행됩니다. 이 진공 처리 단계는 금속 용융 과정에서 불순물의 혼입을 줄여 고품질 조형물을 얻을 수 있습니다. 그러나 일부 전자빔 금속 3D 프린터는 조형 중 불활성 가스를 주입해야 합니다.

전자빔 금속 3D 프린터용 제작 재료

전자빔 방식은 다양한 금속을 이용한 구조물에 적합하므로 산업 분야에 맞게 소재를 사용합니다.

• 티타늄 합금: 항공 및 항공우주/생명 의학
• 니켈 기반 합금: 항공 및 항공우주/발전
• 순수 구리: 코일/전도성 부품/열교환기

결론

전자빔 금속 3D 프린터는 진공 환경과 고에너지 밀도의 전자빔을 활용하여 활성 금속과 내화 금속을 사용하여 고밀도 조형물을 제작합니다. 예열을 포함한 고온 공정을 통해 부품의 변형을 최소화할 수 있습니다. 전자빔 금속 3D 프린터는 특히 항공우주, 의료, 에너지 산업에 필요한 티타늄 합금, 니켈 기반 합금, 텅스텐과 같은 가공이 어려운 소재를 사용한 조형물 제작에서 뛰어난 성과를 거두었습니다.

앞으로는 제작 정밀도와 모니터링 기능이 향상되어 생산 현장에서의 도입이 증가할 것으로 예상됩니다. 복잡하고 고부가가치 부품의 신뢰성과 생산 효율성을 중시하는 생산 현장에서 전자빔 금속 3D 프린터는 전략 기술로서 그 입지를 더욱 강화할 것으로 예상됩니다. JEOL은 혁신을 주도할 잠재력을 가진 적층 제조 기술과 일관된 품질을 보장하는 측정 및 분석 기술을 통합하여 기술 개발을 지속적으로 지원할 것입니다.