EBM積層造形

EBM積層造形の概要

電子ビーム溶解 (EBM) は、電子ビームを使用して金属粉末粒子を層ごとに選択的に溶解および融合し、複雑な 3D 部品を構築する粉体層融合積層造形の一種です。

EBM プロセスの主な特徴は次のとおりです。

金属粉末原料から完全に高密度の部品を構築
エネルギー源として電子ビームを使用
真空および高温下でも動作
優れた機械的特性を実現
チタンやタンタルなどの反応性金属に最適
機械加工では不可能な複雑な形状を実現
最終的な部品の仕上げには後処理が必要になる場合があります

EBM は、航空宇宙、医療、歯科、自動車、産業用アプリケーション全体にわたって、設計の自由度、部品の統合、軽量化、性能の向上というメリットをもたらします。

どうやって EBM積層造形作品

EBM 積層造形プロセスは次のように機能します。

3D CAD モデルは、薄い断面レイヤーにスライスされます。
金属粉末は真空チャンバー内のビルドプレート上に均一に分散されます。
電子ビームはスライスデータに基づいて粉末を選択的に走査し、溶解します。
ビルドプレートが落下し、その上に別のパウダー層が広がります。
パーツが完成するまで、ステップ 3 ～ 4 を繰り返します。
余分な粉末が除去され、部品は熱処理されます。
必要に応じて機械加工や穴あけなどの後加工を行う場合があります。

EBM 装置は、電磁レンズと偏向コイルを使用して電子ビームを正確に制御します。このプロセスは高真空下で行われるため、非常に高い融解温度が可能になります。

EBM積層造形システムの種類

EBM マシンには主に 2 つのタイプがあります。

マシンタイプ	説明	ビルド・サイズ	材料	アプリケーション
小規模システム	低コストで小型部品に最適	150×150×150mm	チタン、コバルトクロム、ステンレス、工具鋼	歯科、医療、研究
大規模システム	大量生産アプリケーション向け	500×400×400mm	チタン、インコネル、タンタル	航空宇宙、自動車、産業

Arcam EBM と GE Additive は、小規模および大規模のマシンの両方を提供する大手 EBM システムメーカーです。

EBM積層造形用材料

EBM テクノロジーを使用して、さまざまな金属を処理できます。

チタン合金：Ti6Al4V、Ti6Al4V ELI、TiAl
ニッケル合金：インコネル718、インコネル625
コバルトクロム合金: コクロモ
スチール：ステンレス鋼、工具鋼、マレージング鋼
耐火金属：タンタル、タングステン
貴金属：シルバー、ゴールド、プラチナ
アルミニウム合金：AlSi10Mg

チタンはその反応性により、特に EBM に適しています。しかし、このプロセスでは、他の先進的な合金から高強度で耐食性の高い部品を製造することもできます。

EBM積層造形の応用

主な用途は次のとおりです。

航空宇宙：タービンブレード、エンジン部品、機体及び構造部品

医療用インプラント: 整形外科用インプラント、固定装置、手術器具

自動車：ターボチャージャーホイール、バルブボディ、燃料系部品

インダストリアル：熱交換器、圧力容器、ポンプハウジング、治具、固定具

石油・ガス：ダウンホールツール、バルブボディ、マニホールド

ディフェンス: 衛星および UAV コンポーネント、装甲メッキ

EBM は、これらの業界全体で最適化された設計により、より軽く、より強力で、より高性能なコンポーネントを実現します。

のメリット EBM積層造形

EBM テクノロジーの利点は次のとおりです。

低い気孔率 – 密度が 100% に近づくことで、優れた機械的特性が得られます
高強度 – チタン合金は鍛造材料の特性に匹敵し、さらにはそれを超えています
デザインの自由度 – 複雑な形状も製造可能
ラピッドプロトタイピング – 製品開発サイクルをスピードアップします
パート統合 – 複数のコンポーネントを統合することでアセンブリを削減します
軽量化 – コンポーネントの軽量化により、自動車および航空宇宙分野での燃料節約が可能になります
ジャスト・イン・タイム生産 – 鋳造品や鍛造品の長いリードタイムを短縮します。
カスタマイズされた製品 – 患者専用の医療機器と個人向け消費財
持続可能な生産 – サブトラクティブ方式と比較して無駄を削減

これらのメリットにより、業界全体で EBM の導入が促進され、パフォーマンスの向上、コストの削減、新しい製品のイノベーションが可能になります。

EBM積層造形の限界

EBM にはいくつかの制限があります。

設備費が高い – EBM マシンの初期資本コストは $500,000 ～ $150 万の範囲で高額です
部品サイズの制約 – ビルドエンベロープによりパーツの最大寸法が制限される
寸法精度 – 厳しい公差を達成するために後処理が必要になることが多い
表面仕上げ – 階段状の効果により表面が粗くなり、仕上げが必要になります
ビルドレート – レーザーまたは電子ビームを使用した粉末床融合プロセスよりも遅い
反応性金属 – 不活性金属またはチタンやタンタルなどの金属に限定
粉の除去 – 未使用の金属粉末は除去してリサイクルする必要があります
熱応力 – 部品の反りや亀裂の原因となる可能性があります

EBM テクノロジーの継続的な開発は、速度、品質、材料の柔軟性、および費用対効果の向上を目指しています。

EBM 積層造形の設計原則

EBM テクノロジーをうまく活用するには、次の設計ガイドラインに従うことが重要です。

オーバーハングとサポートされていない形状を最小限に抑える
余分な粉末を除去するための小さな穴 (1 ～ 2 mm) が付いています。
格子構造を採用し軽量化を実現
壁の厚さを 1 mm 以上に維持する
応力集中を避けるために 30° 以上の角度を含めてください
0.2% の線形スケーリング係数を考慮
細かい部分では 0.2 mm の公差を許容します
粉体クリアランスを確保するために 2 mm 以上の内部チャネルを設計
閉じ込められた粉末の蓄積領域を最小限に抑える
断面積を最小限に抑えるためにパーツをプレート上に配置します

シミュレーションツールは、設計プロセスの初期段階で設計パフォーマンスを評価するのに役立ちます。 AM 機能に合わせて設計を最適化できます。

EBMのプロセスパラメータ

EBM プロセスの重要なパラメータには次のものがあります。

ビームパワー – 造形速度、気孔率、微細構造に影響を与える
ビーム速度 – 速度が速いとビルド速度が上がりますが、密度が損なわれる可能性があります
ビームフォーカス – フォーカシングと偏向制御の融合
スキャン戦略 – レイヤー間でラスター方向を交互にすることで残留応力を軽減します
層厚 – レイヤーを細かくすると解像度は向上しますが、ビルド速度は低下します
ビルド温度 – 温度が高くなると残留応力は減少しますが、精度が低下します。
溶融プールのサイズ – 局所的な微細構造と特性に影響を与える
原料 – 粉末のサイズ分布と形態は密度と表面仕上げに影響します

これらのパラメータを制御すると、特定のアプリケーションに合わせてプロパティと品質を調整できるようになります。

EBM部品の後処理

一般的な EBM 部品の後処理手順には次のものが含まれます。

粉の除去 – ビーズブラストによる内部キャビティからの余分な粉末の除去
ストレス解消 – 熱間静水圧プレスは残留応力の軽減に役立ちます
切り落とす – ワイヤー EDM によるビルドプレートから部品の取り外し
機械加工 – 寸法精度と表面仕上げを実現するための CNC フライス加工、旋削、穴あけ
研磨 – ジュエリーや医療用インプラントなどの視覚部品の光沢のある表面仕上げ用
コーティング – 耐摩耗性、低摩擦性、または美観性のコーティングを適用する
品質テスト – 機械的特性、内部欠陥、微細構造の測定

後処理を最小限に抑えることで、部品全体のコストが削減されます。ただし、重要なアプリケーションでは、仕様を満たすために大規模な仕上げが必要になる場合があります。

EBMの品質管理

EBM 生産の厳格な品質管理手順には以下が含まれます。

原材料の検査 - 原料粉末のふるい分析、流量試験、および顕微鏡検査
プロセス中のモニタリング – 溶融プールのサイズ、粉末床の温度、真空レベル
寸法チェック – CMM および重要な寸法のその他の計量検査
機械試験 – 引張、圧縮、微小硬度、破壊靱性、疲労
非破壊評価 – X線コンピュータ断層撮影による内部欠陥のチェック
金属組織学 – 光学顕微鏡および電子顕微鏡を使用した微細構造の特性評価
密度分析 – アルキメデス法またはヘリウムピクノメトリーを使用して、密度が 99.5% 以上であることを確認します。
表面粗さ測定 – 表面粗さを定量化するための光学的形状測定
化学分析 – ICP および質量分析による組成の検証
検証ビルド – 新しい部品のプロセスパラメータを検証するためのテストビルド

この包括的なテストにより、厳密な産業用途向けの EBM 製品の品質が検証されます。

コストモデリング EBM積層造形

総コストは以下によって決まります。

機械コスト – 多額の設備投資
材料費 – 粉末原料コスト/kg
操業コスト – 労働力、エネルギー、メンテナンス、不活性ガス
後処理 – 追加の機械加工と仕上げ
ビルド速度 – ビルドの高速化によりコストが削減されます
稼働率 – 機械の使用量が増えると、コストがより多くの部品に分散されます
購入比率 – 未使用の粉末はリサイクルする必要があり、コストがかかります
部品の形状 – コンパクトなパーツでビルドボリュームの使用量を最大化
ビルドボリューム – 大型のマシンにより、より高いスループットが可能になります
規模の経済 – 大量生産により部品あたりのコストが削減されます

生産量が増加し、余った粉末を再利用できるため、コストが大幅に下がります。

EBM 積層造形ベンダーの選択

EBM サービスプロバイダーを選択する基準:

実証済みのシステム設置と顧客事例
航空宇宙、医療、産業用途での認定を受けた多様な経験
チタン、インコネル、コバルトクロムなどの認定材料の範囲
品質マネジメントシステム認証 – ISO 9001、AS9100
厳格な品質管理テスト手順
標準および特殊粉末の在庫
二次的な社内機械加工および仕上げ機能
設計支援・構築シミュレーションサービス
冶金の専門知識を持つ専門エンジニアが常駐
高スループットのための大きなビルドエンベロープ
競争力のある価格構造を透過的に伝達
ITARおよびその他の規制プロジェクトを管理できる
近くにあるため、対面での会議やコラボレーションが可能

規制された業界で実績のある確立されたサービスプロバイダーは、厳しい品質の期待に最もよく応える傾向があります。

EBM と他の AM 手法の長所と短所

EBM の利点:

鍛造特性に匹敵する高密度の金属部品
上向きの表面の良好な表面仕上げ
レーザープロセスに比べて高い造形速度
レーザー粉末床溶融と比較して残留応力が低い
完成したコンポーネントの優れた機械的特性
メルトプール制御により微細構造の微細化が可能
チタンなどの反応性金属に最適な不活性ビルド条件
中規模から大量の生産量に対してコスト効率が高い

EBM の欠点:

ポリマーシステムよりも設備コストが高い
レーザー PBF と比較して材料の選択肢が限られている
訓練を受けたオペレーターを必要とする制御されたプロセス
多くの場合、重要な後処理が必要になる
大量の電力を消費する
ビルドエンベロープによって制限される最大パーツサイズ
反応性金属粉末の取り扱いとリサイクル
機械加工または鍛造部品よりもプロファイル精度が低い

中量から大量の金属部品の生産において、EBM はリーズナブルなコストで高強度と品質を提供することに優れています。ただし、プロセスを習得するには経験が必要です。

EBM と DMLS および SLM の比較

EBM 対 DMLS:

パラメータ	EBM	DMLS
ビーム源	電子ビーム	ファイバーレーザー
アトムスフィア	真空	不活性ガス
代表的な材質	チタン合金、タンタル、インコネル	ステンレス、コバルトクロム、アルミニウム
ビルドレート	高い	ミディアム
表面仕上げ	中程度	非常に高い
部品あたりのコスト	中程度	高い
最大パーツサイズ	大型	ミディアム

EBM 対 SLM:

パラメータ	EBM	SLM
ビーム源	電子ビーム	ファイバーレーザー
雰囲気	真空	不活性ガス
代表的な材質	チタン、タンタル、インコネル	アルミニウム合金、鋼、ニッケル合金
残留ストレス	低い	高い
機械的特性	素晴らしい	非常に良い
部品あたりのコスト	中程度	低い
精度	中程度	高い