EBMプロセスの概要

電子ビーム溶解 (EBM) は、電子ビームを使用して金属粉末を層ごとに選択的に溶解し、完全に緻密な部品を構築する積層造形プロセスです。このガイドでは、 EBMプロセス 仕組み、材料、用途、利点、設計上の考慮事項、設備、後処理、品質管理、比較、コスト、FAQ などが含まれます。

電子ビーム溶解 (EBM) の概要

電子ビーム溶解は、粉体層溶融積層造形の一種で、電子ビームが粉体層の領域を選択的に溶融して部品を層状に構築します。

EBM の主な利点は次のとおりです。

• 完全に高密度の金属部品
• 優れた機械的特性
• 良好な表面仕上げと解像度
• 高いビルドレートと部品あたりのコストの低さ
• 必要なサポート構造は最小限
• 再現性と一貫性のある結果

EBM により、航空宇宙、医療、自動車、産業用途にわたる複雑で高性能の金属コンポーネントの直接生産が可能になります。

EBM プロセスの仕組み

EBM プロセスには、次の主要な手順が含まれます。

電子ビーム溶解プロセス

• レイヤーにスライスされた CAD モデル
• 粉体を薄く広げた状態
• 電子ビームが粉末を走査して溶かす
• 前のレイヤー上にレイヤーが融合されました
• 部品が構築されるまで層ごとに繰り返します
• 未溶融粉末サポート部
• 機械からの取り外しと後処理

粉末層を選択的に溶融することにより、複雑な形状をデジタル データから直接製造できます。

EBM用素材

EBM は、以下を含むさまざまな導電性材料を処理できます。

• Ti6Al4Vなどのチタン合金
• コバルトクロム合金
• ニッケル基超合金
• H13などの工具鋼
• アルミニウム合金
• 純銅
• 金、銀などの貴金属

AM 用に最適化された標準合金とカスタム合金の両方を EBM テクノロジーで印刷できます。粉末床の性質により、他の方法では容易に加工できない合金が可能になります。

EBM アプリケーション

EBM は、次のような利点があるコンポーネントに適しています。

• AM でのみ可能な複雑な形状
• 短いリード生産時間
• 高い強度対重量比
• 優れた耐疲労性と耐欠損性
• 優れた機械的特性
• 生体適合性と耐食性
• 高温性能
• 部品の統合 – 組み立て手順を削減

産業用途には次のようなものがあります。

• 航空宇宙: 構造ブラケット、ターボチャージャーホイール、エンジン部品
• 医療: 整形外科用インプラント、手術器具
• 自動車: 軽量化された格子構造
• 産業用: 熱交換器、流体取り扱い部品

EBM は、幅広い合金オプションと優れた機械的特性により、あらゆる分野の革新的な設計をサポートします。

電子ビーム溶解積層造形の利点

EBM プロセスの主な利点は次のとおりです。

• 完全に高密度の金属部品 – 鋳造特性に匹敵し、それを超える 99.9%+ 密度に達します。
• 機械的特性 – 強度、疲労寿命、硬度、耐欠損性に優れています。
• 高いビルドレート – 複数の領域を同時にスキャンすることで、100 cm3/時以上が可能。
• 低い運用コスト – 主な運営コストは電気代です。レーザーベースのプロセスよりも消費エネルギーが少なくなります。
• 最小限のサポート – パーツは組み立て中に自立するため、後処理でサポートを取り外す必要はほとんどありません。
• 粉体リサイクル性 – 未使用の粉末は再利用できるため、材料コストが大幅に削減されます。
• 廃棄物の削減 – 非常に高い粉末再利用率とほぼネットシェイプの生産により、機械加工プロセスよりも無駄が少なくなります。
• パート統合 – アセンブリを単一の印刷部品に結合して、製造および組み立ての手順を削減します。

航空宇宙、医療、自動車、産業用途にわたる金属製造において、EBM は他の方法では簡単に匹敵することができない高性能の積層造形結果を提供します。

EBM 設計の考慮事項

EBM の利点を最大限に活用するには、設計は AM 設計原則に従う必要があります。

• 機械加工では不可能な有機的でバイオニックな形状を使用する
• 適切な形状を設計することでサポートを最小限に抑えます
• スピードと強度のバランスを保つために肉厚を最適化
• 最小機能サイズの機能を考慮する
• 分解能と機械的特性を最大化するように部品の向きを調整します
• 可能であればサブアセンブリを単一の部品に統合する
• 層ごとの製造の影響を考慮する
• 未溶解粉末を除去するための内部チャネルを設計する

経験豊富な AM エンジニアリングの専門家と協力して、EBM の機能に合わせた高性能部品を設計します。

EBMプロセス用の設備

EBM システムは次のもので構成されます。

• 電子線鏡筒 – 強力な電子ビーム
• 粉体カセット – 新鮮な粉末をお届けします
• パウダーホッパー – 粉末を層状に供給します
• タンクを構築する – ビルドプラットフォームと拡張パーツが含まれています
• 真空ポンプ – ビルド中に高真空を維持します
• コントロール – ビルドを準備および監視するためのソフトウェア

産業用 EBM システムでは、プロトタイピングと量産の両方が可能です。メーカーには、Arcam EBM および GE Additive が含まれます。

EBM マシンの主な仕様:

• 造形エンベロープのサイズ – 直径最大 500 mm、高さ最大 380 mm
• ビーム出力 – 最大 3.7 kW
• ビーム焦点 – スポット サイズ 0.1 mm まで
• 造形速度 – 700 cm3/時以上が可能
• 真空 – 10-4 mbar の高真空が必要
• 正確な層制御 - 厚さ 0.05 mm

複数の粉末ホッパーやビームガンなどのオプションにより、より高いスループットが可能になります。ビルド チャンバーは、統合された真空ポンプを使用して印刷中高真空下に維持されます。

EBM 後処理

印刷後、パーツは次のような後処理を受けます。

• 粉の除去 – 余分な粉末は回収され、ふるいにかけられて再利用されます
• サポート解除 – 最小限の手動サポートの削除が必要
• 熱処理 – 必要に応じて応力を緩和し、微細構造を変更する
• 表面仕上げ – 必要に応じて、機械加工、ブラスト、研削または研磨

サポート構造が最小限で高密度が EBM マシンから直接達成されるため、他の AM 手法と比較して後処理が比較的簡単です。

EBMの品質管理

一貫した高品質の結果を得るには、次のような手順が必要です。

• パラメータをダイヤルインしてプロパティを検証するための検証ビルド
• 粉体の特性監視と再利用
• 認定のための機械的特性の試験
• 複雑な内部形状のCTスキャンまたはX線検査
• 寸法精度チェック
• 表面粗さの測定
• ビルドパラメータとバッチトレーサビリティの文書化
• EBM装置の定期的な校正とメンテナンス

部品の認定を必要とする規制分野に合わせた厳格な品質システムを備えた経験豊富なサプライヤーと協力します。

EBM と他の加法的手法との比較

EBM 対 SLM:

• EBMは電子を使用しますが、SLMはレーザーを使用します
• EBM はビルド レートが高く、SLM は高解像度を提供します
• SLM は通常窒素を使用しますが、EBM は不活性ガスを必要としません。
• どちらも粉体層でほぼ完全に高密度の金属部品を製造します

EBM vs バインダージェッティング:

• EBM は粉末を溶かし、バインダー ジェットにより粒子を接着します
• EBM は >99% の高密度部品を作成し、バインダー ジェッティングは焼結が必要な「グリーン」部品を生成します
• EBM 金属は優れた特性を維持しますが、バインダーの噴射性能は低下します

EBM 対 DED:

• EBM は DED に粉末床を利用するのに対し、吹き込み粉末を利用する
• EBM は精度と表面仕上げが高く、DED は高速です
• EBM には最小限のサポートしかありませんが、DED にはより多くのサポートが必要です

少量から中量の最終用途金属部品の場合、EBM は他の粉末ベースの AM プロセスとコスト面で有利に競争できます。

EBM部品のコスト内訳

EBM 部品のコストを分析する場合、重要な要素は次のとおりです。

• 機械コスト – 時間当たりのオペレーティング リース料金。 ~$100 ～ $300/時間実行します。
• 労働 – 部品の設計、最適化、前/後処理。
• パウダー – 材料の選択と再利用率はコストに大きく影響します。
• エネルギー – EBM マシンおよび補助装置を稼働させるための電力。
• 品質管理 – テストの程度はアプリケーションによって異なります。
• 後処理 – ほとんどが自動化されているため、処理コストが削減されます。
• 音量 – セットアップには固定費がかかり、大量に償却されます。

生産用途に合わせて調整された EBM 設計ルールと品質手順を活用することで、他の手段では実現できない非常にコスト効率の高い金属部品が得られます。

EBMテクノロジーのイノベーショントレンド

EBM テクノロジーとアプリケーションの進歩には次のようなものがあります。

• より大きなビルドエンベロープとより高速なスキャン速度により、より大量の生産が可能になります
• スループットを向上させる新世代マルチビームシステム
• 銅、アルミニウム、カスタム合金などの材料オプションの拡大
• 自動粉体処理および内部計測装置
• EBMとCNCのハイブリッドマシニングセンター
• 「AM向けの設計」のためのEBM機能を統合した設計ソフトウェア
• 分散型製造モデルによるサプライチェーンの最適化

これらのイノベーションにより、テクノロジーの品質、一貫性、パフォーマンスが高く評価され、規制対象業界全体で EBM の導入が促進されるでしょう。

よくあるご質問

Q: EBM で加工できる材料は何ですか?

A: チタン、ニッケル超合金、工具鋼、コバルトクロム、アルミニウム、貴金属が一般的に加工されます。 AM 用に最適化された標準合金とカスタム合金の両方を使用できます。

Q: EBM を使用する業界は何ですか?

A: 航空宇宙、医療、自動車、産業分野では、従来では製造が困難だった高性能の最終用途金属部品に EBM が活用されています。

Q: 一般的な表面仕上げは何ですか?

A: 印刷されたままの表面仕上げは 15 ～ 25 ミクロン Ra の範囲が一般的ですが、必要に応じて後処理でさらに改善できます。

Q: EBM は CNC 加工と比較してどれくらい正確ですか?

A: 0.1 ～ 0.3% の寸法精度は EBM テクノロジーの標準であり、ほとんどの機能で機械加工精度と同等またはそれを超えています。

Q: どのような種類の内部チャネルと形状を作成できますか?

A: EBM テクノロジーを使用すると、直径 1 ～ 2 mm までの複雑な自由形状のチャネルと格子を確実に製造できます。

Q: EBM 部品に電気めっきはできますか?

A: はい、EBM 部品は導電性があり、必要に応じてクロム、金、銀メッキなどのメッキを容易に受け入れることができます。

Q: 機械的特性は鍛造金属と同等ですか?

A: はい、EBM 部品は、鍛造同等品の引張強度、疲労、耐破壊性と同等またはそれを上回っています。

Q: 部品の作成にはどのくらい時間がかかりますか?

A: 造形速度は形状に依存しますが、最新の EBM マシンでは 5 ～ 20 cm3/時の範囲であり、迅速な納期が可能です。

Q: EBM にはサポートが必要ですか?

A: 粉末床の温度が高いため、最小限のサポートが必要です。後処理時間を短縮します。

Q: EBM は環境に優しいですか?

A: EBM は、サブトラクティブ プロセスと比較して粉末の再利用率が高く、廃棄物が少ないため、優れた持続可能性の認定を受けています。新しい世代の機器では、部品あたりのエネルギー使用量が減少しています。

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