概要 電子ビーム溶解3Dプリンター
電子ビーム溶解3Dプリンター は、金属部品の3Dプリントによく使われる積層造形技術である。電子ビームがCADモデルに基づいて金属粉末を層ごとに選択的に溶かし、従来の製造では不可能な複雑な形状を造形する。
EBM 3Dプリンターは、設計の自由度、マスカスタマイゼーション、廃棄物の削減、軽量化などの利点を提供する。主な用途は、航空宇宙、医療、歯科、自動車産業である。EBMシステムでプリントされる材料には、チタン、ニッケル合金、ステンレス鋼、アルミニウム、コバルトクロムなどがある。
EBM 3Dプリンタの種類
| プリンター | メーカー | ビルド・ボリューム | レイヤーの厚さ | ビームパワー |
|---|---|---|---|---|
| アーカム EBM スペクトル H | GEアディティブ | 275 x 275 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| アルカムQ10plus | GEアディティブ | ø350 x 380 mm | 50 μm | 3 kW |
| アルカムQ20plus | GEアディティブ | ø350 x 380 mm | 50 μm | 6 kW |
| Sciaky EBAM 300 | Sciaky社 | 1500 x 750 x 750 mm | 150 μm | 30～60 kW |
EBM印刷プロセス
EBMの印刷プロセスは次のように機能する：
- レーキ機構により金属粉をビルドプレート上に均一に分散させる。
- 電子ビームが金属粉末を融点の80%付近まで選択的に予熱し、粒子同士を焼結させる。
- 電子ビームは2回目のパスを行い、層形状通りに材料を急速に溶かす。
- ビルドプレートが下がり、パウダーがビルドエリアに広げられる。
- ステップ2～4は、溶けた金属の層から部品全体が作り上げられるまで繰り返す。
EBMプリンター・ハードウェア・コンポーネント
EBMプリンターには、印刷プロセスを可能にする以下の主要なハードウェアコンポーネントが含まれている：
- 電子銃:集束した電子ビームを発生させ、プリンターに入力されたCADデータに従って金属粉末を選択的に溶かす。電子はタングステンフィラメントの陰極から放出され、高い運動エネルギーまで加速される。電磁石がビームを集束・偏向させる。
- パウダーハンドリング:パウダーホッパーは、各印刷レイヤーの前にビルドプレート上にかき集められる原料を貯蔵する。オーバーフローしたパウダーは回収され、ふるいにかけられて再利用される。
- ビルド・タンク:密閉されたチャンバーで、真空中の高温で層の溶解が行われる。発熱体や熱シールドなどの機能により、ビルドエリアは最高1000℃の環境に保たれる。
- 制御システム:速度、ビームパワー、スキャンパターン、温度などの動作パラメータをプリンターインターフェースソフトウェアで制御可能。また、CADモデルの読み込みも容易。
EBM印刷用資料
| 素材 | タイプ | 特徴 | アプリケーション | サプライヤー | 価格 |
|---|---|---|---|---|---|
| チタン合金 | Ti-6Al-4V (グレード 5)、Ti 6Al 4V ELI (Extra Low Interstitial) | 優れた強度対重量比、生体適合性、耐食性 | 航空宇宙部品、医療用インプラント、医療機器 | AP&C、カーペンター・テクノロジー | $350〜$500/kg |
| ニッケル合金 | インコネル718、インコネル625、インコネル939 | 高温強度、耐腐食性、耐酸化性 | 航空宇宙エンジン部品、発電機器 | サンドビック | 1kgあたり$500-$800 |
| ステンレス鋼 | 316L、17-4PH、15-5PH、デュプレックス | 高い硬度と耐摩耗性 | 食品/医療機器、工具、自動車 | サンドビック、LPWテクノロジー | $90〜$350/kg |
| コバルトクロム | CoCrMo | 優れた疲労強度と摩耗特性 | 歯科用コーピングおよびブリッジ、医療用インプラント | SLMソリューション | kgあたり$270-$520 |
| アルミニウム | AlSi10Mg | 低密度、良好な熱伝導性 | 航空宇宙用ブラケット、自動車部品 | エーピーアンドシー | $95〜$150/kg |
EBM 3Dプリンティングの利点
| パラメータ | ベネフィット |
|---|---|
| デザインの自由 | 格子や内部チャンネルのような複雑な形状も印刷可能 |
| ラピッドプロトタイピング | 従来の手法では数週間かかる反復作業を数日で完了 |
| マス・カスタマイゼーション | 同じプリンターで様々なパーツを作ることができる |
| 高密度 | 100%に近い緻密な金属で、伝統的な製造に迫るメカニカル性能 |
| 最小限の加工 | 印刷したままの品質が非常に良いため、仕上げ工程を削減できる |
| 廃棄物の削減 | 必要な量の材料のみを使用する、減法的プロセスとの比較 |
| 一貫した品質 | 完全自動化されたプロセスにより、繰り返し生産が可能 |
| コストメリット | 部品統合による金型、組立、ロジスティクスの統合によるスケールメリット |
EBM印刷の限界
| デメリット | 説明 |
|---|---|
| ジオメトリの制約 | 支持角度は60°前後のオーバーハングに制限、最小肉厚は0.3～0.4mm |
| パウダー除去 | 外気に触れていない内部の溝や容積に粉が閉じ込められている可能性がある。 |
| ビーム咬合 | 凹部や深い内部形状は、電子ビームが届かないことがある。 |
| 熱応力 | 加工中の急激な加熱／冷却は、熱勾配によるクラックを誘発する可能性がある。 |
| 後処理 | より滑らかな表面やより厳しい公差のために、二次的な仕上げ加工が必要な場合がある。 |
| ビルド・サイズの制限 | プリンター封筒の寸法より大きい部品は印刷できません。 |
| 高い設備コスト | プリンター $50万円以上、中小企業や個人ユーザーによる導入は限定的 |
コスト内訳
Arcam EBMプリンターで10コバルトクロムのデンタルコーピングを製作した場合のコスト比較を以下に示します：
| 経費 | 合計（$） | 1台あたり（$） |
|---|---|---|
| プリンター減価償却費 | $2,000 | $200 |
| 材質（CoCrMo粉末） | $1,500 | $150 |
| 労働 | $100 | $10 |
| 合計 | $3,600 | $360 |
対照的に、ワックスパターン製作＋ロストワックス鋳造を10ユニット分外注すると、1ユニットあたり$600かかる。
電子ビーム溶解3Dプリンター サプライヤー
代表的なEBMプリンター機器メーカーや金属粉末材料メーカーには、以下のようなものがある：
| 会社概要 | 本社所在地 | プリンターモデル | 対応素材 |
|---|---|---|---|
| GE添加剤 | カナダ | アルカムEBMスペクトラ、Qシリーズ | Ti-6-4、インコネル、CoCr、その他 |
| Sciaky社 | 米国 | EBAM 300シリーズ | チタン合金、鋼、アルミニウム |
| SLMソリューション | ドイツ | 該当なし | CoCr、ステンレス、その他 |
| カーペンター・テクノロジー | 米国 | 該当なし | Ti-6-4、インコネル合金、ステンレス鋼 |
| LPWテクノロジー | イギリス | 該当なし | ニッケル合金、アルミニウム合金粉末 |
| サンドビック | スウェーデン | 該当なし | EBM用オスプレイ®金属粉 |
平均的なシステムコストは、粉末除去ステーションなどの付帯設備を含めて$50万～100万である。材料は、アルミニウムの1kgあたり$100から、特殊ニッケル超合金の1kgあたり$800までです。
電子ビーム溶解3Dプリンター 規格と認証
電子ビーム溶解システムの品質、仕様、工程管理に関連する主な規格には以下のものがある：
| スタンダード | 説明 |
|---|---|
| ISO 17296-2 | 金属の積層造形 - プロセス、材料、形状 |
| ASTM F2971 | EBMによる金属部品製造の標準慣行 |
| ASTM F3184 | EBMハードウェア認定基準 |
| ASME BPVC Sec II-C | 承認されたEBM材料仕様の定義 |
EBMのハードウェアとメーカーの品質システムは、ともにISO 9001の認証を受けている場合があります。航空宇宙用途の場合は、AS9100Dのような追加仕様が適用されます。
電子ビーム溶解と他の金属AMの比較
| パラメータ | 電子ビーム溶解 | レーザー粉体ベッド融合 | 直接エネルギー蒸着 |
|---|---|---|---|
| 熱源 | 加速電子ビーム | 高出力Ybファイバーレーザー | 集束レーザーまたは電子ビーム |
| 雰囲気 | 真空 | 不活性ガス | 空気または不活性ガス |
| スキャン方式 | ラスタリング・フォーカス・スポット | 集光レーザースポットのラスタリング | ラスタリングまたはシングルスポット |
| 蒸着率 | 4～8cm$^3$/時間 | 4～20cm$^3$/時間 | 10-100cm$^3$/時間 |
| 精度 | ±0.1～0.3mmまたは±0.002mm/mm | 最大±0.025 mmまたは±0.002 mm/mm | > 0.5 mm |
| 表面仕上げ | 15 μm Ra、50 μm Rz | 最大粗さ15μm | > 粗さ25μm |
| 部品単価 | ミディアム | ミディアム | 最低 |
の応用 電子ビーム溶解3Dプリンター
さまざまな高性能金属で複雑な形状を製造する能力があるため、電子ビーム溶解は次のような産業で使用されている：
航空宇宙 チタンやニッケル合金のブラケットやストラットのような航空宇宙部品を軽量化することで、燃費効率にメリットがあります。EBMはまた、流体ルーティングチャンネルや取り付け機能を単一の部品に統合することも可能です。
医療と歯科： オッセオインテグレーションを促進する多孔質表面を持つコバルトクロムやチタンのインプラントは、EBMによって患者の解剖学的構造に合わせることができる。従来のストック・インプラントのサイズや形状に比べ、大幅なカスタマイズと廃棄物の削減が可能。
自動車： アルミ製やチタン製のバルブカバーやブレーキキャリパーなどのパーツを軽量化することで、車両重量を減らして燃費を向上させることができます。また、レース用途に最適化されたカスタムターボホイールの短納期生産も経済的に可能です。
工具： 射出成形金型にコンフォーマル冷却チャンネルを組み込み、サイクルタイムを短縮。従来の方法では数週間かかる冷却チャネルのレイアウトを、EBMでは10～20回の反復で短納期に対応できます。
よくあるご質問
| 質問 | 答え |
|---|---|
| 部品の精度は、EBMと従来の製造工程の間でどのように比較されますか？ | EBMの寸法精度と公差は、鋳造や鍛造の限界に匹敵する±0.1mmまで可能です。CNC機械加工では、必要に応じて±0.01mmの厳しい公差を達成することができます。 |
| 粗いEBMアズプリントの表面仕上げは、後加工が必要ですか？ | 層状の階段効果により、通常10～15μmの粗さが生じます。必要に応じて、タンブリング、研磨、ブラスト、機械加工を行うと、0.5μmまで滑らかに仕上がります。 |
| どのような金属合金でもEBMに使用できるのか、それとも特定の組成が不向きなのか？ | 熱応力による固体割れを起こしやすい合金は、15μm/(m ̊C)を超える非常に高い膨張係数を避ける必要がある。 |
| レーザーと電子ビーム粉末床融合プロセスの主なトレードオフは何ですか？ | レーザーは最大100cm$^3$/hrの造形速度を提供するが、最大ビーム出力は1kWに制限される。より強力な8-60kWの電子ビームは、より高いエネルギー効率で高密度金属への深い浸透を可能にします。 |
概要
電子ビーム溶解は、真空中で集中した高出力の電子ビームを利用し、完全に緻密な部品が形成されるまで、金属粉末粒子を層ごとに選択的に融合させます。EBM 3Dプリンターは、他のどの技術にもない非常に複雑な形状を造形し、医療機器から航空宇宙部品に至るまで、あらゆる産業でカスタマイズ、軽量化、部品統合を可能にします。電子ビーム溶解は、他の金属積層造形技術や従来技術に比べて最大プリント量に制限があるものの、これまで実現不可能だった新たな設計の可能性と機敏な製造アプローチを開きます。
