電子ビーム積層造形 (EBAM) は、電子ビーム エネルギー源を使用して材料を融合する金属 3D プリンティング プロセスです。このガイドでは、EBAM システム、プロセス、材料、アプリケーション、利点、およびこのテクノロジーを採用する際の考慮事項を検討します。
電子ビーム積層造形の概要
電子ビーム積層造形 (EBAM) は金属 3D プリンティングの一種で、エネルギー源として高出力の電子ビームを使用し、CAD データから直接金属原料を層ごとに完全に高密度の部品に融合します。
EBAM テクノロジーの主な特性:
- 電子ビーム電源を使用して材料を溶かします
- 金属粉末を層ごとに追加して部品を構築します
- 高密度でニアネットシェイプ部品を作成します
- 代表的な材質はチタン、ニッケル合金、スチールです。
- 他の金属 AM プロセスよりも大きなビルドボリューム
- 高速なビルドのための高い堆積速度
- 平均部品精度 ±0.3mm
- レーザープロセスと比較して残留応力が低い
- 大型で複雑な金属部品に最適
- 減法的手法と比較して無駄を削減
EBAM は、従来の製造では不可能な革新的な設計を可能にします。ただし、他の付加プロセスと同様に、設計とアプリケーションには明確な考慮事項があります。
どうやって 電子ビーム積層造形 作品
EBAM プロセスは次のもので構成されます。
- 金属粉末の薄層を堆積および平坦化する
- 電子ビームを走査して選択的に領域を溶かす
- ビルドプレートを下げて積層/溶解を繰り返す
- 完成した部品を粉体層から取り出す
- 必要に応じて後処理
電子ビーム銃は、真空条件下で集束ビームを生成します。ビーム出力、速度、パターン、その他のパラメーターを正確に制御して材料を溶融します。
EBAM システムには、真空チャンバー、粉体処理、電子銃、制御、その他のサブシステムが必要です。
EBAM装置メーカー
産業用 EBAM システムの世界的な大手サプライヤーには、次のような企業が含まれます。
| メーカー | モデル | ビルド・サイズ | 材料 | 価格帯 |
|---|---|---|---|---|
| GEアディティブ | アーカム EBM スペクトル H | 1000×600×500mm | Ti、Ni、CoCr、Al、Cu、鋼 | $1.5M – $2M |
| シャキー | エバン300 | 1830×1220×910mm | チタン、インコネル、ステンレス | $1.5M – $3M |
| ベロ3D | サファイア | 680×380×380mm | Ti、インコネル | $1M – $2M |
| ナノディメンション | ドラゴンフライ LDM | 330×330×330mm | 銅 | $0.5M – $1M |
システムの選択は、生産ニーズ、材料、精度要件、予算によって異なります。機器を直接購入する代わりに、経験豊富なサービスプロバイダーと提携することもできます。
EBAMプロセスの特徴
EBAM には、複雑な熱的、機械的、および材料の相互作用が含まれます。主なプロセスの特徴は次のとおりです。
電子ビーム – パワー、ビーム径、電流、スキャン速度、フォーカス
パウダー – 材質、形状、サイズ分布、層の厚さ
真空 – 必要な圧力レベル、ガス不純物
温度 – 予熱、溶融プールのダイナミクス、冷却速度
メタデータ – ビルドプレート、レーキシステム、シールド
スキャン戦略 – メルトプールパターン、ビーム振動
後処理 – 熱処理、HIP、機械加工、仕上げ
高品質の EBAM パーツを実現するには、パラメータ間の関係を理解することが重要です。
EBAM 設計ガイドライン
適切な EBAM 部品設計の実践には次のものが含まれます。
- 積層造形の原則を念頭に置いた設計
- 薄肉・格子構造を採用し軽量化を実現
- サポートが必要なサポートされていないオーバーハングを最小限に抑える
- 反りの原因となる応力を避けるために部品の向きを調整します
- フィーチャの熱収縮効果を考慮する
- 粉末の除去を容易にする形状を設計
- 外観ではなく機能性を重視して表面を設計する
- 最小の壁厚と機能サイズに対応
- 表面上の後処理ストックを考慮する
- 複雑な部品の構造と熱影響をシミュレーション
- 粉体層除去のための治具とインターフェイスの設計
シミュレーションおよびモデリング ツールは、残留応力と変形を予測するのに役立ちます。
EBAM資料
さまざまな金属を加工できます 電子ビーム積層造形:
| カテゴリー | 一般合金 |
|---|---|
| チタン | Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、市販純チタン |
| ニッケル超合金 | インコネル 718、インコネル 625、ヘインズ 282 |
| ステンレス鋼 | 304、316、17-4PH、15-5PH |
| 工具鋼 | H13、マレージング鋼 |
| アルミニウム | AlSi10Mg、スカルマロイ |
| 貴金属 | ゴールド、プラチナ |
| 銅 | CuCrZr、Cu、銅ニッケル合金 |
| コバルト・クローム | CoCrMo、ステライト |
材料特性は、EBAM プロセス パラメーターと後処理に大きく依存します。
主要な EBAM アプリケーション
EBAM により、業界全体でパフォーマンスの向上が可能になります。
| 産業 | 典型的な EBAM アプリケーション |
|---|---|
| 航空宇宙 | 航空機の構造、タービン、発射用ハードウェア |
| 発電 | 高温ガス経路コンポーネント、ハウジング |
| 石油・ガス | バルブ、ポンプ、コンプレッサー、工具 |
| 自動車 | 部品、熱交換器の軽量化 |
| メディカル | 整形外科用インプラント、手術器具 |
| マリン | インペラ、プロペラ、複雑な鋳物 |
| ケミカル | 熱交換器、撹拌機、圧力容器 |
従来の製造に比べて次のような利点があります。
- 1:1 の購入と飛行の比率による無駄の削減
- デジタルプロセスによるリードタイムの短縮
- アセンブリを単一の部品に結合
- 加工に適さないカスタマイズされた形状
- 複雑な構造によるパフォーマンスの向上
- 認定後は生産量を拡張可能
EBAM は、他の手段では実現できない次世代の製品設計の機会を生み出します。
EBAM の長所と短所
メリット
- 大きくて複雑な金属部品を単一の部品にまとめたもの
- 格子デザインによる強くて軽いコンポーネント
- 高価な金型や工具の必要性を排除
- サブトラクティブ技術と比較して材料の無駄を削減
- 他の AM プロセスと比較してビルド速度が比較的速い
- 100 ～ 10,000 ユニットの中量でコスト効率が高い
- 急速凝固による一貫した冶金
- アセンブリを単一のパーツに結合します
- オンデマンド生産とカスタマイズ可能なデザイン
- 加工上の制約を超えた形状の自由度
制限：
- ポリマー3Dプリンティングよりも設備コストが高い
- 真空対応素材に限定
- 機械加工に比べて精度や表面粗さが劣ります
- 特性を実現するために後処理が必要になることが多い
- リサイクルが必要なスクラップ粉の生成
- プロセス開発とトライアルが必要
- 高電力ニーズに対する設備の考慮事項
- 熱応力により部品の歪みが生じる可能性があります
- オーバーハングと最小限の機能の制約
- ビルドチャンバーエンベロープによるサイズ制限
アプリケーション要件に適した場合、EBAM は価値の高い製品の改善を可能にします。
EBAMテクノロジーの導入
EBAM を採用する際の主な考慮事項は次のとおりです。
- EBAM 機能が利点となるアプリケーションの特定
- EBAM システムへの多額の設備投資を予算化
- 厳格な認定プロトコルと基準の開発
- 最終用途アプリケーションの規制要件を理解する
- 粉末床の専門知識を持つ人材を雇用するか、サービスプロバイダーと提携する
- プロセスの試行と最適化のための時間とリソースを確保する
- 粉体の取り扱い手順と換気の実施
- 適切な施設インフラストラクチャと電力機能を提供する
- 熱処理などの二次加工の予算化
- 特性を検証するための機械的テストの実行
初期トライアルに最適なアプリケーションは、重要性が低く、リスクが低いものです。
EBAM によるコスト削減
EBAM のビジネスケースは以下によって異なります。
- 高額な設備コストは約 $100 万から $300 万程度
- プロセス開発と生産のための労働力
- 金属粉末原料のコスト
- 二次仕上げ作業
- 設備、粉体取扱いインフラ
- サブトラクティブプロセスと比較して無駄を削減
- サブアセンブリを単一の部品に統合する
- 従来技術よりも開発期間を短縮
- 約 100 ～ 10,000 個の部品の量で経済的になる
- 複雑な形状で付加価値を最大限に節約
メーカーは、AM 機器のコストの上昇を製造上のメリットで上回る必要があります。
EBAM と他のプロセスの比較
| プロセス | EBAMとの比較 |
|---|---|
| CNC加工 | EBAM により、サブトラクティブ プロセスでは機械加工できない複雑な形状が可能になります。難しい工具は必要ありません。 |
| 金属射出成形 | EBAM により、高額な工具コストが削減されます。 MIMよりも優れた材料特性。 |
| ダイカスト | EBAM はツールのコストが低くなります。サイズ制限はありません。非常に複雑な形状も実現可能。 |
| シートラミネート | EBAM は、積層複合材料ではなく、完全に緻密な等方性材料を作成します。 |
| バインダー・ジェット | EBAM は、多孔質バインダーを噴射したグリーン部品と比較して、完全に緻密な最終部品を提供します。 |
| SLM | SLM は解像度が高く、EBAM はビルド速度が速くなります。どちらも緻密な金属部品を作成します。 |
各プロセスは、アプリケーション、バッチサイズ、精度のニーズ、およびパフォーマンスの要件に基づいて特定の利点を提供します。
EBAMの今後の展望
以下によって EBAM の導入が拡大するため、未来は明るいです。
- より幅広い量産グレードの合金
- より大きなビルドエンベロープにより、より大きなパーツを実現可能
- ビルド速度の高速化によるスループットの向上
- 仕上がりと寸法精度の向上
- テクノロジーの成熟に伴うコストの低下
- 前後処理のさらなる自動化
- 機械加工を統合したハイブリッドシステム
- 高度な工程内監視システム
- 航空宇宙などの要求の厳しい業界向けの資格
- EBAM 機能を活用した設計の最適化
テクノロジーの進歩に伴い、EBAM は幅広い業界にわたって製造業を変革します。
よくあるご質問
EBAMにはどのような素材が使用されていますか?
チタン、ニッケル合金、工具鋼、ステンレス鋼、アルミ合金、貴金属の加工が可能です。
EBAM部品の精度や仕上げはどの程度ですか？
寸法精度は標準的に ±0.3 mm で、表面粗さは製造時の状態で約 25 ～ 125 μm Ra です。
EBAM パーツにはどのような後処理が使用されますか?
熱処理、ＨＩＰ、機械加工等を用いてもよい。プラズマスプレーコーティングも一般的です。
EBAM ではどのくらいの大きさの部品を製造できますか?
一般的なビルドボリュームの範囲は、500mm x 500mm x 500mm から、大規模システムの場合は最大 2m x 1m x 1m までです。
減算法と比べてどのような利点がありますか?
EBAM は、無駄を削減したほぼネットシェイプの部品を生成し、アセンブリを単一の複雑なコンポーネントに統合します。
EBAM を使用する業界は何ですか?
航空宇宙、エネルギー、自動車、石油・ガス、医療部門は EBAM を早期に採用しています。
EBAM 機器を操作するにはどのような専門知識が必要ですか?
粉末床プロセス、冶金、後処理の経験を持つ熟練した技術者が必要です。
どのような安全上の注意が必要ですか?
換気、監視装置、人員保護装置、および安全な粉体の取り扱いが重要です。
従来の製造と比較してコストはどうですか?
EBAM は、複雑な設計の場合、100 ～ 10,000 ユニットの中量生産あたりでコスト効率が高くなります。
EBAM プロセスについて簡単に説明していただけますか?
EBAM は金属粉末を層に堆積し、CAD データに基づいて電子ビームで層ごとに選択的に溶かし、部品を構築します。
