EBM技術を理解する

EBMテクノロジー は、ユニークな機能を備えた先進の積層造形技術です。このガイドでは、EBM技術の作業、利点、アプリケーション、システムサプライヤー、他の3Dプリンティングプロセスとの比較など、EBM技術の包括的な概要を説明します。

電子ビーム溶解 (EBM) の概要

電子ビーム溶解は、電子ビームを使用して金属粉末粒子を選択的に溶解し、層ごとに融合させる積層造形技術である。主な特徴

• 電子ビームをエネルギー源として金属粉を溶かす
• パウダー層を選択的に溶融して部品を製造
• 代表的な材料は、チタン、ニッケル合金、工具鋼、アルミニウムなどである。
• 優れた特性を持つ完全な高密度部品を生産
• 鋳造/機械加工では不可能な複雑な形状に対応
• 設計の自由度、カスタマイズ、リードタイムの短縮を実現

EBMは、航空宇宙、医療、自動車、その他の産業にわたる最終用途部品において、優れた機械的特性、材料純度、表面仕上げ、寸法精度を実現します。

このガイドでは、EBMプロセスの詳細な概要、技術、利点、用途、システムサプライヤー、他のAM手法との比較について説明しています。

どうやって EBMテクノロジー 作品

電子ビーム溶解は、以下の重要なステップを経て部品を製造する：

EBMプロセス・ステップ

• CADソフトウェアで設計された3Dモデルを.STLファイルに変換します。
• ファイルがレイヤーにスライスされ、ビルド・シーケンスが生成される。
• 金属粉はビルドプレートに均一に散布される
• 電子ビームが粉体を選択的に走査して溶かし、層を融合させる
• ビルドプレートが下がり、新しいパウダー層が広がる
• この工程は、パート全体が層ごとに構築されるまで繰り返される。
• 未溶融パウダーが製造中の部品を支える
• 完成した部品を機械から取り出し、後処理を行う。
• 高エネルギー電子ビームにより、迅速で正確な溶解と溶接を実現
• 純度を高めるため、真空下、高温で行われる。
• 未使用のパウダーを回収して再利用することで、廃棄物を最小限に抑えます。

EBMシステムの種類

現在利用可能なEBMシステムには、主に2つのタイプがある：

EBMシステムの種類

タイプ	説明
ワンビームシステム	単一電子ビーム
マルチビームシステム	複数の平行ビーム

• ワンビームシステム は、通常50～60kWの高出力電子ビームを1本使用する。スキャンが必要なため、造形速度は遅くなる。
• マルチビームシステム 複数のビームを併用して高速化。スキャン時間を大幅に短縮。
• シングルビームの出力は3～6kW。マルチビームシステムの総出力は10MWを超える。
• 最新世代のマルチビームシステムは、造型速度を劇的に向上させる。
• ビーム制御、スキャニング、フォーカシングは精密溶融に不可欠なサブシステムである。

EBM用素材

EBMは、以下のような様々な金属や合金に適合する：

EBMマテリアル

素材	主要物件	アプリケーション
チタン合金	高強度、軽量	航空宇宙、医療
ニッケル超合金	耐熱性/耐食性	タービンブレード
工具鋼	硬度、耐摩耗性	金型
ステンレス鋼	耐食性	マリンハードウェア
コバルトクロム	生体適合性	医療用インプラント
アルミニウム合金	軽量	自動車、構造物
銅合金	電気伝導度	エレクトロニクス

• Ti-6Al-4Vのようなチタン合金は、重要な航空宇宙部品に最も一般的です。
• ニッケル超合金は、タービン・エンジンのような高温環境で優れた性能を発揮する。
• 工具鋼は、長持ちする金型や工具に必要な硬度を提供します。
• 生体適合合金はインプラントや医療機器に使用される。
• EBMは、レーザーベースのプロセスよりも、チタンやアルミニウムのような反応性の高い金属をサポートする。

EBMのメリットと利点

EBMを生産用途に魅力的なものにする主な利点には、以下のようなものがある：

EBMのメリット

• 完全高密度でボイドのない部品
• 優れた機械的特性
• 高い幾何学的および寸法精度
• 良好な表面仕上げと繊細なディテール
• 後処理の必要性が低い
• コンタミの少ない高純度部品
• 粉体回収により材料の無駄が少ない
• 複雑な内部形状に対応
• 複数のパーツを1つのデザインにまとめる

対伝統的製造業

• 鋳造や機械加工では不可能な、より軽量で強固な設計が可能
• アセンブリを単一のプリント部品に統合
• 成形や鍛造では不可能な形状を可能にする
• リードタイムを数ヶ月から数週間に短縮
• 小ロット生産でのコスト削減

EBM アプリケーション

EBMの利点は、以下のような場合に適している：

EBM アプリケーション

産業	用途
航空宇宙	タービンブレード、構造フレーム、ロケット
メディカル	整形外科用インプラント、手術器具
自動車	プロトタイプ、カスタムパーツの軽量化
工具	射出成形金型、成形金型、治具、固定具
エネルギー	熱交換器、バルブ、ポンプ
エレクトロニクス	シールド、接点、冷却システム

• 航空宇宙分野では、より軽量で強度の高いチタンやニッケル合金の部品にEBMが広く使用されている。
• 医療分野では、EBMの幾何学的自由度と生体適合性をインプラントに活用。
• 自動車の研究者たちは、軽量で最適化されたトポロジー設計を作成するためにこれを使用している。
• 射出成形用の金型に、コンフォーマル冷却チャンネルを組み込むことができる。
• 石油・ガス産業では高温・高圧部品に使用されている。
• エレクトロニクスは、EBMの微細なディテールと導電性合金の恩恵を受けている。

EBM システムのサプライヤー

EBMシステムを提供している主なメーカーは以下の通り：

EBM機械 供給者

会社概要	マシンブランド
アルカムEBM	アルカムA2X、Q20plus、スペクトラH、Q10plus
GEアディティブ	Arcam EBM Spectra L, Arcam EBM Spectra H
フリーメルト	フリーメルトONE、フリーメルトTWO
ウェイランド添加剤	カルダー

• Arcam EBMは現在GE Additiveの一部であり、EBMシステムのマーケットリーダーである。
• Freemelt社やWayland Additive社などの他の企業は、新世代のマルチビームEBMシステムを提供している。
• 機械容量は、150 mm x 150 mm x 150 mmのものから、1000 mmの大型のものまで幅広い。
• 最新のEBMマシンは、自動パウダーハンドリングとクローズドループリサイクルを提供する。
• 様々なアプリケーションに対応するため、カスタマイズされたパラメータとトレーニングサポートが提供される。

EBMのコスト分析

EBMの生産コストは、以下の要因に左右される：

EBMのコスト要因

• 機械購入価格 - $50,000 ～ $200 万円以上
• 1kgあたりの材料費
• 部品設計、操作、後処理にかかる人件費
• 生産量
• ビルドのスピードと稼働率
• エネルギー消費
• 設備維持費および諸経費

典型的な範囲

• Ti-6Al-4V製小物部品：$20 - 150個/個
• 大型航空宇宙部品$2000 - 15,000以上
• マルチビームシステムによる大量生産で最低コストを実現

における比較 EBM その他のAMプロセス

EBM対その他のメタルAM

	EBM	レーザーPBF	体外式除細動器	バインダー・ジェット
材料	Ti、Ni、Al、工具鋼	Ti、Al、鋼、Ni	ほとんどの金属	ステンレス鋼
密度	高密度99%	高密度99%	99%密集	90-95%密
精度	優秀、±0.2%	優秀、±0.1%	中程度、± 1%	中程度、±0.5%
表面仕上げ	非常に良好、Ra 25 μm	優秀、Ra 10 μm	ラフ・アズ・デポジット	焼結後良好
ビルド・レート	中程度	速い	非常に速い	中程度
設備費	高い	高い	中程度	低い
アプリケーション	航空宇宙、医療	航空宇宙、自動車	補修、コーティング、大型部品	シリーズ制作

• レーザーPBFは、EBMよりも造形速度が速く、分解能が高い。
• EBMは、内部応力の少ない優れた材料特性を提供する。
• バインダージェットは低コストだが、完全な密度を得るには焼結が必要。
• DEDは迅速だが、大規模な産業用途に適している。
• ユーザーは、材料、品質、スピード、予算のニーズに基づいてプロセスを選択する。

EBMの課題と限界

EBMの課題には次のようなものがある：

• 高い機械代と材料費
• 限られた機器サプライヤーとサービス・サポート
• 他のAMに比べ、素材の選択に制限がある
• レーザーPBFより低い造形速度
• 反応性金属粉末の取り扱いとリサイクル
• 内部応力を緩和する後処理
• ビルド時の真空環境の要件

現在進行中の開発は、製造速度の向上、設備コストの低減、材料能力の拡大、大量生産に向けたプロセスの拡張性を目指している。

今後の見通し EBMテクノロジー

EBMの今後の動向：

• 最新のマルチビームシステムによる高速化
• 500mm×500mmを超える大型プラットフォーム
• より多くのアルミニウムと銅合金を含む、拡張された材料範囲
• 粉体ハンドリングの改善とクローズド・ループ・リサイクル
• 設計およびプロセス最適化のためのソフトウェア強化
• 設備コストの削減と最終用途製造への幅広い採用
• 衛星部品、電気輸送、工具、生物医学分野での用途

EBMシステムの進歩は、航空宇宙、自動車、医療、エレクトロニクス、エネルギー産業での採用を拡大するだろう。

EBM技術に関する主な要点

• EBMは、電子ビームを使って金属粉末粒子を選択的に溶融し、層ごとに融合させる。
• 高純度、高密度、高強度、高精度のネットシェイプに近い部品を製造。
• チタン合金、ニッケル超合金、工具鋼、アルミニウム合金が一般的な材料である。
• 航空宇宙と医療部門は、今日EBMの主要な採用者である。
• 複雑な形状の場合、鋳造、機械加工、その他のAM法に勝る利点を提供する。
• マルチビームシステムは、製造速度と生産規模を劇的に向上させる。
• 現在進行中の開発は、素材能力の拡大とコスト削減を目指している。

EBM技術に関するFAQ

Q: EBMで処理できる材料は何ですか？

A: 一般的なEBM材料には、チタン合金、ニッケル超合金、工具鋼、ステンレス鋼、コバルトクロム、アルミニウム合金、銅合金などがあります。

Q: EBMが製造した部品の例をいくつか教えてください。

A: EBMは、タービンブレード、構造フレーム、エンジン部品などの重要な航空宇宙部品の製造に使用されています。また、医療用インプラント、自動車のプロトタイプ、工業用工具などにも使用されています。

Q：EBMはどの程度正確ですか？

A: EBMは、精密な電子ビーム溶解プロセスにより、設計寸法と比較して±0.2%以内の優れた寸法精度を提供します。

Q: EBMは、DMLSのような金属3Dプリント法よりも速いのですか？

A: 一般的に、レーザー粉末床溶融プロセスは、現在EBMよりも速い造形速度を提供しています。しかし、新しいマルチビームEBMシステムは、レーザーPBFの速度に匹敵するか、それを上回ることを目指しています。

Q: EBM部品にはどのような後処理が必要ですか？

A: 一般的な後処理には、サポート除去、応力除去熱処理、熱間静水圧プレス、表面仕上げが重要な場合は機械加工や研削が含まれます。

Q: マルチビームEBMの利点は何ですか？

A: マルチビームシステムは、複数の平行電子ビームを使用して層を溶融します。これにより、EBMの材料特性を維持したまま、はるかに速い造形速度が得られます。

Q: EBMは多孔質部品や完全な固形部品を製造するのですか？

A: EBMは99%以上の高密度で完全なソリッドパーツを製造しています。

Q: EBMパウダーはどのようにリサイクルされるのですか？

A: 未使用のパウダーは回収し、ふるいにかけて大きな粒子を取り除き、新しいパウダーとブレンドして、再び機械に投入して再利用することができます。

Q: EBM は環境に優しいですか?

A: EBMには、粉体の再利用率の高さ、廃棄物の少なさ、部品のライフサイクルにわたって材料使用量を削減する軽量最適化設計など、持続可能性の利点があります。

より多くの3Dプリントプロセスを知る