eBM製造プロセス

電子ビーム溶解 (ebm製造プロセスは、複雑で高性能な金属部品を製造するための従来の製造方法を超える能力を提供する。

ebm製造プロセスの概要

EBMは、他の粉末床溶融技術と同様の働きをする。このプロセスは高真空チャンバー内で行われ、電子ビームがビルドプレート上に薄く敷き詰められた粉末を選択的に走査して溶かす。各層が溶融した後、ビルドプレートが下がり、さらに粉末が表面にかき集められ、電子ビームが次の層を溶融・融合させる。

主な詳細

• 金属粉末から層ごとに部品を作る
• 電子ビームが粉体を選択的に溶かす
• プロセスは真空中で行われる
• 高速溶融のための高ビームパワー
• 使用されたサポート構造、後工程で除去されたサポート構造
• 完全な部品ができるまで繰り返す

メリット

• 複雑な形状の設計自由度
• CADから直接機能金属部品
• 優れた機械的特性
• 高密度部品、最大99.9%
• 機械加工に比べて無駄を省く

EBMは、従来の加工に比べ、角度、オーバーハング、アンダーカットの制限が少なく、複雑な形状を製造する自由度が高い。EBMによって製造された部品は、溶製材と同等かそれ以上の機械的特性を提供します。

EBMで使用される材料

EBMは、様々な合金を完全に緻密な部品に加工することが可能で、特にチタン、アルミニウム、コバルトクロム、ニッケル合金、ステンレス鋼、工具鋼に多く使用されている。

材料：

• チタンTi64、Ti64ELI、商業純チタン
• アルミニウム AlSi10Mg, AlSi12, スカルマロイ
• コバルトクロム CoCrMo, CoCrW
• ニッケル合金 IN718, IN625, IN939
• ステンレス鋼 316L、17-4PH、304L、420
• 工具鋼 H13、D2、M2
• その他CuSn10、CuCr1Zr

チタン合金はニッケル超合金とともに航空宇宙部品に多用されている。コバルトクロムは医療用インプラントに人気がある。工具鋼の金型やアルミニウム部品は、オートメーションや自動車に使用されている。15ミクロンまでの様々な金属粉末を利用することができます。

EBMプロセス能力

EBMは、後加工をほとんど行うことなく、最終用途の部品やすぐに使用できる製品を直接製造することができます。主な機能は以下の通りです：

幾何学的複雑性

• 複雑な格子とメッシュ構造
• 深い水路、アンダーカット、トンネル
• 薄い壁（1mm未満）と細かいディテール
• トポロジー最適化の軽量化

機械的特性

• 強度と硬度は、溶製材と同等かそれ以上
• 鍛造品に匹敵する耐疲労性と耐破壊性
• 気孔率0.8%以下の高密度部品

精度と解像度

• 部品寸法の0.2mmまたは2%以内の精度
• 0.3mm前後の微細なフィーチャーサイズ
• 最薄肉0.25～0.5mm
• 最小フィーチャーサイズは改善され続けている

表面仕上げ

• 粗さ5-9μm前後のEBMの生表面仕上げ
• 仕上げプロファイリングは1.5μmの粗さを達成可能
• より微細な研磨のための追加工程

ビルド・ボリューム

• 市販のシステムは、直径150mmから1000×600×500mmまで。
• より大規模な税関システムも開発中
• 最大部品サイズの継続的改善

EBM積層造形プロセスのステップ

EBM製造工程は、電子ビームを使って材料を溶融・融合させ、金属部品を積層造形する一連の工程として行われる。

EBMのプロセスステップ：

1. 部品の3DモデルとAMのための設計の最適化
2. ファイルをEBMシステム用の標準フォーマットに変換する
3. 材料の選択、ビルドパラメータの設定
4. 仕様に従って金属粉末を準備する
5. パウダーをマシンにセットし、ビルドエリアを水平にする。
6. パウダー層の塗布、ビームによる予熱
7. 各レイヤーのハッチメルトエリア、ヒューズメタル
8. プラットフォームを下げ、次のレイヤーを追加する
9. レイヤー／メルティングを繰り返してパートを完成させる
10. チャンバーから取り出し、ベースプレートから部品を切り離す
11. 部品から支持構造を取り除く
12. 必要に応じて、機械加工、研磨、熱間静水圧プレスによる後加工を行う。

各材料に最適化された重要なプロセスパラメータには、ビームパワー、ビーム速度、ハッチ間隔、スキャン戦略、層時間、層厚、プリヒート温度、およびポストプロセス熱処理が含まれます。これらの設定を調整することで、部品密度、残留応力、表面仕上げ、微細構造、機械的特性を調整することができます。

電子ビーム積層造形の利点

EBMは、コスト、性能、効率、複雑さ、特性、持続可能性の面で、従来のサブトラクティブ・ファブリケーションや他のアディティブ・メソッドと比較して、いくつかの説得力のある利点を提供する。

EBM の利点:

• 軽量で複雑な形状の設計自由度
• CADから完成機能部品までの合理化されたワークフロー
• 複雑な形状のための工具や治具を排除
• 99.9%までの高い金属密度
• 優れた強度と硬度特性
• 少量/中量生産における部品単価の低減
• サブトラクティブ・プロセスと比較して廃金属を削減
• 後処理とリードタイムを最小化
• 微細構造と特性のパラメータ制御
• 高いビームパワーにより、より速いビルドスピードを実現

EBMプロセスは、革新的な設計アプローチと、性能向上のための複雑な部品の統合を容易にします。特殊な工具や大掛かりな仕上げ作業に伴う過剰なコストをかけることなく、高密度の最終用途金属部品を迅速に生産します。

電子ビーム積層造形の限界

利点と同時に、EBMには生産用途への適合性を判断する際に考慮すべき固有の限界もある。

EBMの限界：

• ポリマーシステムよりも設備コストが高い
• 現在承認されている航空宇宙/医療用合金は限られている。
• ビーム偏向光学系が最大製造サイズを制限
• レーザー粉末床溶融よりも低いスキャン速度
• レーザーシステムより分解能が低い
• 粉末の導電性とビルドハイトが及ぼすビーム溶融の影響
• 表面仕上げを向上させる後処理
• 小さな内部空隙または融着欠陥の欠如の可能性
• プロセス・モニタリングと品質管理分野の成熟

電子ビーム・システムに関連する設備費用が高くなるため、部品コストが高くなり、EBMは、金型によるコスト削減が初期資本支出を相殺するような少量生産に適している。

EBMにおける品質管理と後処理

すべての粉末床金属積層造形プロセスと同様に、EBMコンポーネントは、気孔率、異方性特性、表面仕上げ、残留応力、粉末効果、幾何学的寸法に関する潜在的な品質問題に直面する可能性があり、これらはパラメータの最適化、後処理、熱間静水圧プレス、品質管理手順を通じて緩和する必要があります。

品質管理：

• 一貫した原料金属粉末の特性
• 合金と形状に特化したパラメータ最適化
• サーマルエミッションのその場モニタリング
• 建設後のCTスキャンによる密度の検証
• ASTM規格による機械的特性の試験

後処理：

• 熱応力除去および熱間静水圧プレス
• ビーズブラストによる表面仕上げの改善
• フライス加工、旋盤加工、研削、研磨
• 機能的特性のためのコーティングまたは処理

品質と信頼性を向上させるために、リアルタイムのプロセスモニタリング、原料粉末の品質管理、モデリングシミュレーション、クローズドループフィードバックパラメーターの最適化を継続的に進めている。

電子ビーム積層造形の応用

EBMによって解き放たれる設計の自由は、航空宇宙、防衛、医療技術、自動車、エネルギー・アプリケーションの境界を押し広げる進歩的な産業における高性能な最終用途部品につながります。

産業への応用：

航空宇宙 - タービンブレード、インペラ、スラストチャンバー、ラティス 自動車 - シャシーとパワートレインの軽量化 メディカル - 整形外科用インプラント、補綴器具
エネルギー - 熱交換器、圧力容器、掘削 ディフェンス - UAV、軍用保護車両部品 工具 - コンフォーマル冷却金型、ダイ、パターン

EBMは、複雑なアセンブリを強化された特性を持つ単一部品に統合することを容易にし、小から中バッチ生産に対応する。このプロセスは、より幅広い合金と品質管理措置が成熟するにつれて、ラピッドプロトタイピングから認証された連続製造へと進み続けます。

EBM機器サプライヤー

一握りの確立された産業プロバイダーが、統合された粉末処理ソリューションとともに商業用EBM積層造形システムを提供している。カスタム大型機も開発中である。

EBM機器サプライヤー：

小規模 / 研究用システム

• アルカムA2X
• 先端製造技術研究所 EBAM 150
• リンツ・センター・オブ・メカトロニクスGmbH Micro-EBAM

研究開発中の長さ1メートルを超えるカスタマイズされたソリューションにより、より大きな製造量が増え続けている。ビーム幅も、単一の電子ビームから、より高速な複数の調整ビームへと進歩している。

電子ビーム積層造形のコスト分析

最終用途の金属積層造形プロセスとしてEBMを採用するには、アセンブリの統合、機械加工の最小化、在庫の適正化による部品単価の節約と、設備取得、材料消耗品、運用間接費の費用を比較検討する必要があります。

コスト要因 - EBMと従来型製造の比較

一般的に、EBMは、高価な金型と極端なバッチサイズを伴う大量生産の従来型製造に比べ、在庫、加工時間、組立統合が桁外れに高い機械コストと粉体コストを相殺する、1個から数百個程度の少量生産の複雑な金属部品に利点をもたらす。部品の数量、速度、複雑さ、性能目標、および期待される品質は、最適な製造方法の選択に大きく影響します。

電子ビーム積層造形における安全性への配慮

すべての産業用製造装置と同様に、電子ビーム金属3Dプリンティングは、高電圧の電気、不活性ガス、反応性金属粉末、および危険軽減制御を必要とする有毒物質の取り扱いに関する健康と安全のリスクをもたらします。

EBMの安全性に関する考察：

• 高電圧電子機器の封じ込め
• X線被曝からの遮蔽
• 圧力下の極低温ガス
• 反応性金属粉塵
• ナノ粒子曝露
• 手動粉ふるい人間工学
• メカニカル・インターロックとレーザー・インターロック
• 材料の引火性に関する注意事項
• スタッフのPPE要件
• 機器のロックアウトとEストップ
• アップタイムのための定期メンテナンス
• ビーム稼働時間とパフォーマンスのモニタリング

徹底したオペレーター・トレーニングに加え、工学的管理、安全プロトコル、保護具、規制されたメンテナンス、そして粉体床装置に適用される議会法案と欧州適合指令が、健康と環境を多層的に保護する。

電子ビーム積層造形の将来展望

EBMの技術と品質が成熟し続けるにつれて、航空宇宙、医療、工業、工具、自動車分野での幅広い採用が予想され、性能が高いコストを正当化できる数千個以下の中程度の生産量の用途が好まれる。

EBMの今後の動向：

• 加工可能な合金のポートフォリオを拡大
• 大量生産用のハードウェア
• マルチビームシステムによる高速化
• ビーム偏向範囲と精度の向上
• ビーム集束と精度の向上
• その場モニタリングとクローズドループ制御
• プロセスパラメーターの標準化
• 包括的な粉体管理ソリューション
• ハイブリッド生産統合
• 認証のための品質ベンチマーク
• 高速生産アプリケーション

調整された複数の電子ビームを組み込むことで、スキャン速度を倍増させることができます。EBMとフライス加工やその他の二次加工を単一のプラットフォームで組み合わせたハイブリッドシステムは、合理化されたポストマシニングを可能にします。ハードウェア、材料、品質プロトコル、および部品承認ワークフローが進歩するにつれて、EBMの採用は、拡大する認定アプリケーション全体で、より高速の生産に適しています。

よくあるご質問

Q: EBMはどのような材料を加工できますか？

A: EBMでは、チタン、アルミニウム、ニッケル、コバルトクロム、ステンレス鋼、工具鋼、銅合金の加工が一般的です。材料の選択肢は広がり続けています。

Q: EBM は多孔質または完全に緻密な部品を生成しますか?

A: EBMは部分予備焼結粉末を使用して99%以上の緻密な金属部品を製造しています。密度は鋳造金属や鍛造金属を上回ります。

Q: 他の金属AMプロセスと比較して、EBMの精度はどの程度ですか？

A: 寸法精度は±0.2mmに達し、他のパウダーベッド技術に引けを取らない公差を実現しています。

Q: EBM製造はどのような産業で使われていますか？

A: 航空宇宙、医療、自動車、工業、工具、防衛、ロボット、エネルギー産業は、最終用途の部品にEBMを活用しています。

Q: EBMアディティブ・マニュファクチャリングの部品単価はいくらですか？

A: 部品コストは、サイズ、形状の複雑さ、造形速度、材料量、後処理の必要性などによって、$100から$10,000以上まで様々です。

Q: EBMアディティブ・マニュファクチャリングを提供しているサービス・プロバイダーは？

A: RapidDirect、3D Systems、Carpenter Additive、Alloyed、Sigma Labs、Velo3D、Barnes Aerospace、Burloak Technologies、Morf3D。

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