전자빔 금속 3D 프린터(적층 제조 기계)
전자빔 3D 적층 제조 기술
최근 몇 년 동안 디지털 3D 데이터를 기반으로 하는 레진을 사용하는 3D 프린터 덕분에 기업은 프로토타입과 소량 부품을 생산할 수 있었고, 개인은 독창적이고 유일무이한 제품을 만드는 것을 즐길 수 있었습니다. 금속을 사용하는 3D 적층 제조 기계는 3D 프린터의 한 유형입니다. 대부분은 산업 분야에서 프로토타입을 만들고 부품을 제조하는 데 사용되며 일반 대중은 거의 볼 수 없습니다.
적층 제조 기술의 역사는 1980년대로 거슬러 올라가는데, 나고야 시립 산업기술연구소의 고다마 씨가 UV 경화 수지를 이용한 적층 기술을 개발한 것으로 알려져 있습니다. 이후 헐 씨(현 3D Systems, Inc.)가 미국에서 상용화하면서 이 기술이 확산되기 시작했습니다. 금속 적층(적층) 제조로의 전환은 오스틴에 있는 텍사스 대학교의 데커드와 비먼이 주도한 금속 분말을 이용한 선택적 레이저 소결 방법의 개발로 시작되었고, 그 후 상용화되었고, 1992년에 레이저 기반 금속 적층(적층) 제조 시스템이 개발되었습니다. 그 후 1997년에 스웨덴 회사인 아르캄AB가 전자빔을 용융원으로 사용하는 방법을 개발했습니다.
지금까지 적층 제조는 형상과 디자인을 확인하고 가볍고 튼튼한 부품을 프로토타입화하는 데 사용되었습니다. 그러나 최근에는 프로토타입을 생산하는 데 필요한 총 개발 시간이 짧고 디지털 데이터(CAD)에서 직접 제조할 수 있는 기능이 주목을 받고 있습니다. 산업용 부품의 제조 방법으로서의 사용이 가속화되고 있습니다.
적층 제조의 원리
여기에서는 주로 전자빔을 이용한 금속 3D 적층 제조 기계에 의한 성형 부품의 흐름에 대해 설명하겠습니다.
그림 1 전자빔 금속 적층 제조의 흐름
흐름은 금속 분말 원료 층을 펴놓고 레이저 빔이나 전자 빔 등의 열원을 이용하여 성형할 부분을 녹여 층을 형성하는 방식이다.
계속해서 층을 쌓고 녹이고 완료되면 완전히 층이 쌓인 부분에서 분말을 제거하여 추가 품질 테스트를 실시합니다.
여기에는 두 가지 방법이 설명되어 있습니다.
파우더 베드 방식
원료로 사용되는 금속 분말은 일정한 두께로 퍼뜨릴 수 있는 헤드 메커니즘을 통해 퍼진다.
그림 2 금속분말 한 층을 펴기 위한 움직임 ※ 1
첫 번째 소재 층을 펴고, CAD 데이터로 작성된 성형할 영역을 전자빔이나 레이저를 열원으로 사용하여 녹입니다.
그림 3 확산 금속 분말의 용융 ※ 1
Z축을 층의 두께만큼 이동시킨 후, 두 번째 금속 분말 층을 펴서 원하는 부분을 녹입니다.
원하는 모양을 형성할 때까지 이 과정을 반복한다.
그림 4 녹지 않은 분말을 제거한 후의 이미지 ※ 1
용융되지 않은 분말은 분사 장비 등을 통해 제거됩니다. 성형된 부품을 꺼내어 모양, 내부 결함 등을 검사합니다.
위의 과정은 부품이 성형되는 방식입니다.
증착 방법
CAD에서 설계한 원하는 형상을 용융 노즐이나 스테이지를 움직여 노즐을 통해 분말을 분사하여 분말을 겹겹이 쌓는 방식입니다. 금속 분말 재료는 가스를 사용하여 공급되고 열원에 의해 용융되어 성형됩니다.
파우더 베드 방식과 달리 성형이 완료된 후 파우더를 제거할 필요가 없습니다. 이 방식은 자유형 성형이 아닌 금속 소재에 대한 추가 가공(용접 오버레이)이나 일반적인 모양의 성형에 사용되며, 성형할 모양은 헤드의 도달 범위에 의해 제한됩니다.
그림 5. 증착 방법 사례 ※ 1
적층 제조의 특징
CAD 설계 데이터에서 재료를 직접 녹이고 성형할 수 있는 능력 때문에, 적층 제조는 여러 프로토타입과 소량, 강도 설계, 설계 연구 및 기타 생산 응용 분야가 필요한 고부가가치 부품에 사용됩니다. 자유형 성형은 또한 경량 설계 및 형상 최적화를 통해 재료 소비를 줄이고 무게를 줄여 연료 효율을 개선하는 데 사용되고 있습니다.
전자빔 금속 3D 적층 제조 기계
사진 1 전자빔 적층 제조 기계의 예
사진1은 JEOL 주식회사 아키시마지사가 개발한 기계입니다. ※ 1, 미래적층제조기술연구협회(TRAFAM)는 다양한 유형의 제조 기능을 실현합니다.
기능은 아래와 같습니다.
- 다양한 종류의 금속을 적층 제조하는 것이 가능합니다.
- 최소 빔 크기 : φ100 μm 이하
- 정확도 : ±40 μ 이하
- 성형 가능 크기: 300mm x 300mm x 600mm
- 차등 펌핑, 동적 스티그메이터 보정, 초점, 편향 위치에서의 빔 왜곡 보정 기능을 통한 전자원 환경 유지가 사용됩니다.
소재 및 성형
전자빔형은 고융점 금속의 성형에 적합하므로 산업 분야의 소재를 사용합니다. Ti-6Al-4V 및 Inconel718과 같은 성형 분말은 주로 항공우주 산업에서 사용되는 반면, CoCr 기반 소재는 생체재료로서의 친화성으로 인해 의료 분야에서 사용됩니다. 수십 μm의 구형 분말을 금속 분말로 사용합니다. 가스 분무 또는 플라즈마 회전 전극 공정으로 제조한 후, 금속 분말은 적층 제조 기계 또는 성형할 제품의 요구 품질에 따라 입자 직경 분포에 따라 선택합니다.
사진2. 원료금속분말(Ti-6Al-4V) ※ 3
그림 6 원료분말의 입자경 분포 예 ※ 3
사진 3 탄소풀러렌 이중구조의 예, 임펠러 ※ 1
전자빔 적층 제조를 위한 응용 프로그램
적층 제조에 사용되는 전자빔은 금속 분말을 녹이는 데 필요한 수십 kV의 가속 전압에서 수 mA에서 수백 mA의 빔 전류를 생성하여 활용됩니다. 전자빔은 전자의 플럭스이며 금속 분말과 충돌하면 운동 에너지가 대상 격자의 진동 에너지가 되어 열로 변환됩니다. 빛 빔은 반사를 발생시키고 변환 효율은 재료에 따라 다르지만 전자빔의 열 변환 효율은 매우 높아 입력 에너지의 80% 이상이 열로 변환됩니다. 디지털 데이터가 제공하는 원하는 위치에 전자빔을 조사하기 위해 자기 렌즈를 사용하여 편향을 수행하면 기계적 스캐닝이 아닌 전기적 스캐닝이기 때문에 고속 스캐닝이 가능합니다.
첨가 제조를 위한 전자 소스
그림 7 전자빔 조사 시스템 ※ 1
전자총은 전자빔을 생성하고, 빔 모양과 조사 위치를 제어하며, 전자빔을 처리 대상물에 조사합니다. 전형적인 전자빔 조사 시스템의 구조는 그림 7에 나와 있습니다. 전자빔 발생기, 전자빔 수렴부, 전자빔 편향기로 구성되어 있습니다.
전자빔을 열원으로 사용하는 장점
- 진공 처리
전자빔은 진공 상태에서 생성, 전파 및 조사됩니다. 금속 용융 공정에서 이는 용융 섹션으로의 불순물 포함을 줄이는 효과가 있어 더 높은 품질의 재료가 생성됩니다. - 고속 스캐닝
전자빔의 조사 위치는 전자기 코일을 사용하여 제어되므로 가공 대상 표면에서 매우 고속 스캐닝이 가능합니다. 금속 적층 제조에 사용되는 전자총을 사용하면 수 1,000m/s 이상의 속도로 전자빔을 스캐닝할 수 있습니다. - 고효율 전송
발생원인 캐소드와 처리 대상 사이에 에너지 손실을 일으킬 수 있는 광학 부품이 없기 때문에 전자빔은 반사율과 투과율의 영향을 받지 않습니다. 따라서 처리 대상에 대한 조사 에너지의 정밀한 제어가 가능합니다. - 높은 흡수율
전자빔은 고속 전자 흐름이므로 대부분은 반사되지 않고 처리 대상에 흡수되어 융해열로 변환됩니다.
적층 제조 제품의 품질 평가
표준 성형 시험편에 대한 국제 표준화와 금속 적층 제조에서의 평가에 대한 논의가 진행 중이며, 이는 적층 제조 기술에 대한 기술 위원회 ISO/TC261과 ASTM 위원회 F42에서 진행됩니다. 성형물을 평가하려면 표준 시험편에서 품질을 유지하기 위한 성형물 검사에 이르기까지 광범위한 측정 기술이 필요합니다. 이 섹션에서는 적층 제조 방법에 대한 일반적인 기존 표준과 효과적인 평가 및 분석 방법을 설명합니다.
사진4 적층가공용 JIS 시험편 성형(절단 전) ※ 1
형상 측정 방법
사진 5 3D 형상 측정기 ※ 2
① 3차원 형상 측정기
측정은 기계적 접촉 방식과 비접촉 방식으로 구분됩니다. 접촉 방식은 터치 프로브를 사용하여 점과 선을 측정하고 물체를 회전시켜 모양을 형성합니다. 반면 비접촉 방식은 레이저 조사와 광학 카메라를 사용하여 빔을 스캔하여 고속 측정합니다. 두 방법 모두 수 μm에서 수십 μm의 측정 정확도를 갖습니다.
사진 6. 3차원 형상 측정기 ※ 2
② 3D 스캐너
측정과 유사하게 접촉 및 비접촉 방법이 있습니다. 자유형 모양은 종종 적층 제조에서 측정되므로 모양 측정을 위해 비접촉 레이저 또는 적외선을 사용하는 것이 주류입니다. 정확도는 수십 μm이며 접촉 방법보다 빠른 3D 측정이 가능합니다.
조직 관찰
주사전자현미경(SEM)과 표면분석기(EPMA)는 재료의 표면 관찰뿐만 아니라 온보드 검출기를 이용한 원소 분석 및 결정 방위 관찰도 가능하며, 표면의 비파괴 검사부터 단면을 절단하여 파괴 검사까지 폭넓고 일반적으로 사용되고 있습니다.
관찰하고자 하는 물질에 집속된 전자빔을 조사하면 원소에 따라 깊이 방향의 2차 전자와 같은 양자 생성에 대한 정보가 얻어집니다. 이러한 생성된 양자를 신호로 변환하는 검출기를 사용하여 분석이 가능합니다.
그림 8 전자빔과 양자 유형
| XNUMX차 전자 이미지 관찰 | XNUMX차 전자는 시편 표면의 지형을 관찰하는 데 사용됩니다. |
|---|---|
| 후방 산란 전자 이미지 관찰 |
후방산란 전자는 주로 표본의 구성적 차이를 관찰하는 데 사용됩니다. 다결정 시편의 경우 결정 방향의 차이가 이미지의 대비로 관찰됩니다. (채널링 대비) |
| 흡수 전자 이미지 관찰 | 흡수된 전자는 주로 표본의 구성적 차이를 관찰하는 데 사용됩니다. 대조는 후방 산란 전자 이미지의 대조와 반대입니다. |
| 전송 전자 이미지 관찰 | 얇은 필름 층을 통해 전달된 전자는 구성과 밀도의 차이를 관찰하는 데 사용됩니다. |
| 음극선 발광(CL) 영상 관찰 및 스펙트럼 분석 | 전자빔 조사에 의해 자극된 시료에서 방출된 빛은 이미지를 형성하고, 방출 스펙트럼은 파장 분광법을 통해 생성됩니다. 이는 반도체의 불순물 및 결함 평가, 응력 분포 평가, 산화막의 결함 구조 분포 평가, 발광 소자 평가 등의 응용 분야에 사용됩니다. |
| EDS(원소)분석 | 이것은 Li-doped Si 반도체 검출기와 Multi-Channel Analyzer(스펙트럼 분석기)를 조합하여 X선의 에너지 강도 스펙트럼을 얻는 기능입니다. B에서 U까지 모든 원소를 동시에 검출하고 측정할 수 있습니다. 표본 손상 위험을 줄이는 적당한 프로브 전류에서도 마이크로 영역 분석에서 탁월한 성능을 발휘합니다. |
| EBSD 분석 | 시편 표면에서 회절된 후방 산란 전자는 미세 영역 내의 결정 방향을 확인하고 방향 맵을 측정하는 데 사용됩니다. |
| WDS(원소) 분석 | 이것은 결정에 의한 X선의 회절 현상을 이용하여 파장 스펙트럼을 얻는 기능입니다. 그 특징은 높은 에너지 분해능과 높은 검출 감도입니다. |
| EBIC 측정, 관찰 | 전자빔에 의한 조사로 인해 시편 내부에 생성되는 기전력(EMF)은 반도체 소자의 결함 분석에 사용됩니다. |
| 저진공 기능 |
검체실의 압력을 수십~수백 Pa로 설정하는 기능. 시편 챔버의 진공을 낮추면 충전 발생이 줄어듭니다. 이를 통해 어려운 전처리(코팅) 없이 비전도성 시편을 관찰할 수 있습니다. 가스가 많이 발생하는 시편, 증기압이 낮은 시편, 물이 포함된 시편에도 사용됩니다. |
| 전자빔 노출 기능 | 전자빔에 의한 레지스트 리소그래피가 가능하다. |
| 극저온 SEM 관찰 | 물을 동결시키면 물이 포함된 표본을 관찰할 수 있습니다. 이렇게 하면 고정 및 탈수 과정에서 표본의 변형이 발생하는 것을 방지할 수 있습니다. |
| 난방 관찰 |
시편을 가열하면서 관찰이 가능하다. 열에 의해 시편에 발생하는 팽창이나 불순물 분리 등의 변화를 관찰할 수 있습니다. |
| 인장 관찰 | 시편을 늘이는 동안 관찰이 가능합니다. 이는 연성 파괴의 시작점을 관찰하고 재료 강도를 분석하는 데 사용됩니다. |
표 1 분석된 샘플에서 얻을 수 있는 정보
이는 Ti, Al, V 성분을 확인하기 위해 적층 제조 기계에 사용되는 Ti-6Al-4V 분말의 EDS 원소 분석 결과입니다.
그림 9 X선 형광분광기(JEOL의 JSX-6S)에 의한 Ti-4Al-1000V 성형분말의 관찰 및 분석 예 ※ 3
사진 8 전자현미경의 모습
투과전자현미경(TEM)은 원자 수준의 관찰에 사용됩니다. 전자는 공기 중에서 자유롭게 움직일 수 없고 진공 상태에 있습니다. 광학 현미경과 달리 전자현미경은 컬럼에 높은 진공 상태를 유지하여 전자가 움직이도록 돕습니다. 전자총이라는 전자원에서 방출된 전자는 가속되어 조사 표면에 조사됩니다. 전자는 표본을 투과하거나 산란합니다. 전자는 전자 렌즈(전기장 또는 자기장)를 사용하여 수렴하거나 산란하여 이미지를 형성합니다. 기존에는 이미지를 형광판에서 확대하여 인간의 눈으로 관찰했습니다. 그러나 현재는 CCD와 같은 이미지 센서를 사용하여 전기 신호로 변환하고 디지털 화면으로 표시하는 것이 주류입니다. 인간의 눈이 구분할 수 있는 빛(가시광선)은 400nm~800nm입니다. 투과전자현미경은 일반적으로 100kV 이상의 고전압을 가속 전압으로 사용합니다. 100kV의 파장은 0.0037nm에 해당하는데, 이는 분해능을 나타내는 것으로, 수 nm 크기의 원자를 관찰하는 데 충분한 분해능을 가지고 있다는 의미입니다.
그림 10 투과 전자 현미경 원리
비파괴 검사
이미지를 사용한 결함 및 공극에 대한 비파괴 검사 방법으로서, X-선 CT는 적층 제조에서 자유형 제품을 검사하는 데 사용할 수 있습니다. X-선 CT는 5축에서 샘플을 측정하고 3D 디스플레이로 결함 위치를 감지할 수 있습니다.
분해능과 투과 능력은 마이크로포커스 X선원의 출력에 따라 달라지지만 일반적으로 150kV~45kV가 사용됩니다. 분해능은 측정 크기와 재료의 투과율에 따라 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터까지 다양합니다. 출력이 높을수록 분해능이 향상되지만 X선 누출에 대한 대책도 필요하며 이러한 대책은 더 광범위합니다.
사진9 JIS A2201 14A 시험편 관찰 케이스 ※ 2
파괴 없이 관찰된 결함을 분류하고 적층 제조 중 결함의 원인과 대조하여 품질을 개선하려는 노력이 이루어지고 있습니다. 품질이 중요한 산업 부품에 대한 비파괴 검사의 필요성은 앞으로 증가할 것으로 예상됩니다.
결론
금속을 이용한 3D 적층 제조는 디지털 데이터로부터 원하는 부품을 직접 생산하는 방법으로 주목을 받고 있습니다. 또한 3D 성형의 특징인 자유형 성형 능력을 활용하여 최적의 강도 설계 및 에너지 절약형 제조 방법으로 향후 활용이 확대될 것으로 생각됩니다.
대규모 시설이 필요하지 않기 때문에 IoT 시대의 제조장비의 네트워크 연결을 가정한 분산형 제조 방식의 일부로도 고려되고 있습니다.
JEOL은 제품 품질을 유지하기 위한 측정 및 분석 기술과 새로운 혁신을 촉발할 수 있는 적층 제조 기술을 통합하여 기술 발전을 지원합니다.
결과는 경제산업성(METI)이 위탁한 프로젝트인 "차세대 산업용 3D 프린터 기술 및 초정밀 3D 성형 시스템 기술 개발"을 통해 달성되었습니다. 우리는 연구 기간 동안 지원해 주신 다음 기관에 감사드리고 싶습니다.
- 경제 산업 성
- 국립산업과학기술원(AIST)
- 특별 임명 교수. 히데키 교고쿠, 공학부, 킨다이 대학
- 아키히코 치바, 당시 도호쿠 대학 물질 연구소 교수
- 미래적 적층 제조를 위한 기술 연구 협회(TRAFAM)
참조
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경제산업성의 위탁을 받아 “차세대 산업용 3D 프린터 기술 개발 및 초정밀 3D 성형 시스템 기술 개발”을 수행하는 미래적층제조기술연구조합(TRAFAM)에서 제공한 자료입니다.
https://trafam.or.jp/top/ -
Nikon Metrology Inc.에서 제공하는 자료(웹사이트)
https://industry.nikon.com/en-us/ -
자료 제공: LPW Technology Ltd.(당시)/Aichi Sangyo Co., Ltd.
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