パウダー ベッド フュージョン 3D プリンター:種類、利点、制限、動作方法

メーカーが複雑な形状の 3D プリント部品を作成したい場合、多くの場合、パウダー ベッド フュージョン (PBF) マシンを利用します。これらの部品は、伝統的な製造方法では製造が難しいことで知られています (場合によっては不可能です)。それについてもっと学びましょう。

粉末床溶融 (PBF) マシンとは何ですか?

PBF マシンは、さまざまな業界のさまざまな用途向けに、高品質で複雑な部品を作成できる 3D プリンターです。これらは、レーザーまたは電子ビームを使用して金属またはプラスチックの粉末の層を溶解および融合させ、粉末の層から層ごとに部品を構築することによって機能します。顧客の特​​定のニーズを満たす、強度や耐熱性などの特定の特性を備えたカスタマイズされた部品を製造できます。これらのマシンの 1 つがどのようなものかを下の図で確認できます。

PBF の優れた点は、部品の完成後に余分な粉末が収集されリサイクルされるため、一般に廃棄物が最小限に抑えられることです。また、設計を迅速に反復できるため、エンジニアは CAD 設計を更新し、欠陥のある部品を再印刷することができます。複雑な内部形状を持つ複雑な部品に関しては、PBF が推奨される 3D プリント方法です。金属鋳造や MIM などの他の方法よりもはるかに速く、完全な部品の設計、製造、テスト、再設計、および再印刷を行うことができます。 PBF マシンは複数の部品を同時に製造できるため、生産性が向上し、部品の製造に必要な時間が短縮されます。

PBF は幅広いプラスチックや金属を扱うことができ、作成された部品は印刷中に最小限のサポート構造しか必要としません。未使用のパウダーはサポートとして機能します。たとえば、タービンブレードの内側に冷却チャネルを作成する場合、余分な粉末を簡単に注ぎ出すことができます。そうは言っても、PBF は粉末の予熱、真空生成、冷却期間が必要なため、比較的遅いプロセスであり、印刷時間が長くなります。さらに、一度に 1 層ずつ製造されるため、PBF 部品の構造特性は通常、他のプロセスで製造されたものほど強くありません。表面の品質は粉末の粒径にも依存し、砂型鋳造やダイカストなどの製造プロセスに似ている場合があります。 

また、特にポリマー製の場合、製造部品の収縮や反りを引き起こす可能性のある熱歪みにも注意する必要があります。一部の人にとってのもう 1 つの欠点は、コストが高いことです。設備も材料も高価です。 10 万ドル未満のエンドツーエンド システムを見つけることも可能ですが、通常、価格は 15 万ドルから 20 万ドルの範囲で始まり、ハイエンド モデルでは 100 万ドルを超える場合もあります。それはエネルギーを消耗するプロセスでもあります。印刷後に残り、後処理で除去される未使用のパウダーは効率的にリサイクルする必要がありますが、予熱により未使用の材料の一部に影響が出る可能性があります。 

粉末床溶融 (PBF) マシンはどのように動作しますか?

PBF 3D プリント プロセスの手順は次のとおりです。

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CAD モデルを作成し、レイヤーにスライスする必要があります。 3D プリンタは、印刷が開始される前にビルド シーケンスでプログラムされます。

薄く均一なパウダー層（通常は 0.1 mm）がビルド プラットフォーム全体に広がります。

粉末床は、熱応力を軽減するために、材料の融点よりわずかに低い温度まで加熱されます。

高出力レーザーまたは電子ビームは、デジタル モデルに基づいて粉末層を選択的に溶解します。材料は冷えると固まります。

ビルド プラットフォームは 1 層の厚さだけ下がり、パーツが完全に形成されるまでこのプロセスが繰り返されます。

印刷が完了すると、パーツはパウダー ベッドから取り出され、後処理ステップを開始できます。 

粉末床溶融 (PBF) マシンの種類は何ですか?

部品の印刷に使用できる PBF マシンにはさまざまなタイプがあります。パウダー ベッド フュージョン (PBF) 積層造形技術には、主にレーザー ビーム (PBF-LB) と電子ビーム (PBF-EB) の 2 つのタイプがあります。これらのタイプには、それぞれに関連する商標登録されたテクノロジがあります。これらは、直接金属レーザー焼結 (DMLS)、選択的レーザー焼結 (SLS)、選択的レーザー溶解 (SLM)、および電子ビーム溶解 (EBM) です。これらのプロセスは、使用される 3D プリント材料と、粉末を融合するために使用される熱源によって区別されます。 PBF 法では、レーザーまたは電子ビームを使用して粉末粒子を融合します。これらの各方法については、次のセクションで個別に説明します。

1.直接金属レーザー焼結 (DMLS)

DMLS は、高出力レーザーを使用して金属粉末を選択的に融合する PBF 積層造形技術です。このプロセスは SLS に似ていますが、プラスチックの代わりに金属粉末を使用します。レーザービームは金属粒子を溶かして融合させ、層ごとに固体部品を形成します。 DMLS は、高精度で望ましい機械的特性を備えた複雑な金属部品を製造するために、航空宇宙産業や医療産業で一般的に使用されています。

2.選択的レーザー焼結 (SLS)

SLS は、高出力レーザーを使用して粉末状のポリマー材料 (通常はプラスチックやナイロン) を固体オブジェクトに選択的に融合する 3D プリンティング技術です。パーツを層ごとに構築し、各層をレーザーで融合します。未溶融粉末材料が構築プロセス中に部品をサポートするため、サポート構造が不要になります。 SLS は、プロトタイピング、製品設計、小ロット生産で広く使用されています。

3.選択的レーザー溶解 (SLM)

SLM と SLS は、両方のプロセスが高出力レーザーを使用して熱を提供するという点で類似点を共有しており、PBF-LB のカテゴリに分類されます。ただし、SLM は、粉末を単に焼結するのではなく、レーザーで粉末を完全に溶かすという点で異なります。これにより、最終部分がより緻密で強力になります。このプロセスは、チタンとその合金、アルミニウム合金、ステンレス鋼などの金属粉末で一般的に使用されます。タングステンなどのより珍しい金属も加工できますが、その用途はより特殊になる傾向があります。固化した材料の酸化や窒化を防ぐために、ビルド チャンバー内には不活性雰囲気 (通常はアルゴン) が使用されます。 SLM は、高品質の機械的特性と複雑な形状を備えた部品を製造するために、航空宇宙、医療、自動車業界で一般的に使用されています。

4.電子ビーム溶解 (EBM)

EBM は、金属部品の作成に使用されるもう 1 つの粉末床溶融プロセスです。レーザーの代わりにビームを使用して金属粉末を溶解および融合します。レーザーベースの技術とは異なり、EBM プリンターは、真空下で粉体層に電子を照射して金属材料を溶かすことにより、小規模の粒子加速器のように動作します。帯電した電子により粉末粒子が分散する可能性があるため、通常、3D プリント プロセスを開始する前に材料の各層が事前に焼結されます。さらに、プリント ベッド全体はビルド中ずっと高温に保たれます。 3D プリンティング プロセス中、パーツは粉末の半焼結ケーキ内に構築されます。これによりサポートが提供され、多くの場合、追加のサポート構造が不要になります。ルースパウダー内で部品を焼結できる EBM のバリエーションがあることは注目に値します。

EBM は通常、航空宇宙および医療用途向けの大型で複雑な金属部品の製造に使用されます。 EBM は他の PBF 技術に比べて造形速度が速く、部品の残留応力が低くなりますが、通常、装置は他の機械より高価です。

3D プリントにパウダー ベッド フュージョン (PBF) マシンを使用する利点は何ですか?

• 柔軟
• 複雑な設計の部品の製造時間を短縮する
• 無駄を削減し、結果としてコストと環境への影響を削減
• さまざまな素材に対応
• 印刷中に最小限のサポート構造が必要

3D プリントにパウダー ベッド フュージョン (PBF) マシンを使用する場合の制限は何ですか?

• 印刷時間が長く、処理が遅い
• 弱い構造特性
• 表面の質感は粉末の粒径によって異なります
• 高価な機械と粉末
• 熱歪み
• 大量のエネルギーを消費する

粉末床溶融法 (PBF) の製造プロセスとは何ですか?

PBF の製造プロセスには次の手順が含まれます。

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CAD ファイルを設計し、3D プリンタにリンクします。デザインは数値的にレイヤーにスライスされ、実際の印刷が開始される前に印刷順序が事前に決定されます。 

ビルド プラットフォーム全体にパウダーを広げます。パウダーの薄い層が造形エリア全体に均一に分配されます。

ビルドエリア全体をパウダー粒子の融点よりわずかに低い温度まで加熱します。

高出力レーザーまたは電子ビームを使用して、事前にプログラムされたパターンに従って特定の領域のパウダーを選択的に溶かします。溶けたパウダーは冷えると固まり、固体の層を形成します。

ビルド プラットフォームは 1 層の厚さだけ下げられ、パーツが完成するまでこのプロセスが繰り返されます。

印刷が完了したら、パーツをパウダーベッドから取り出します。サポート構造の除去、熱処理、機械加工、研磨などのさまざまな後処理ステップが行われます。

PBF の製造後のプロセスはどうなっていますか?

PBF で印刷された部品の後処理は、使用される材料や部品の印刷方法によって異なります。 

金属 PBF 部品は、プロセスによって生じる内部応力のため、熱処理が必要です。熱処理後、支持構造が除去され、追加の後処理を進めることができます。お客様の要件に応じて、CNC 機械加工や研磨など、いくつかの後処理オプションを利用できます。

金属 EBM 部品は基板から浮遊しており、構築中に半焼結粉末によってサポートされます。熱制御または後処理のために犠牲支持体を追加することもできます。 EBM パーツではパウダーケーキを取り出す必要がありますが、プリンター内の温度が上昇するため、必ずしも熱処理ステップを必要とするわけではありません。

一方、プラスチック部品は未溶融粉末の床から取り除かれ、余分な材料がビードブラストで除去されるため、一貫した表面仕上げが得られます。 SLS パーツは、ビード ブラストが完了するとそのまま残されますが、色が必要な場合は追加の染色の良い候補となります。

PBF マシンは他のタイプの 3D プリンターとどう違うのですか?

PBF マシンは、いくつかの点で他のタイプの 3D プリンターとは異なります。最も大きな違いは、粉末材料を使用して部品を層ごとに構築する方法です。 PBF マシンは高出力レーザーまたは電子ビームを使用して金属またはプラスチックの粉末を選択的に溶融しますが、他の 3D プリンターは押出成形または光重合法を使用する場合があります。 PBF マシンは、非常に複雑で複雑な部品を高い精度で製造することもできます。さらに、PBF マシンは、他の 3D プリンティング技術で達成できるものを上回る、優れた機械的特性を備えた機能プラスチック部品を製造できます。ただし、望ましい表面仕上げを実現するには後処理が必要になることが多く、製造できる部品のサイズや形状に制限がある場合があります。さらに、PBF マシンは高価になる傾向があり、操作にはより専門的な知識とトレーニングが必要です。

PBF マシンではどのような材料を使用できますか?

PBF 3D プリンタは、以下に示す幅広いマテリアルをサポートしています。

プラスチック

• ナイロン (ガラスおよび鉱物入りを含む)
• ポリプロピレン
• ポリエーテルエーテルケトン (PEEK)
• ポリエーテルケトンケトン (PEKK)
• TPU

金属

• アルミニウムおよび軽合金
• クロムコバルト合金
• 貴金属（金、銀）
• 銅および合金（青銅、真鍮）
• インコネル®
• スチール（軟鋼、合金、ステンレス鋼 316 L および 17-4PH）
• チタンと合金
• ニッケルと合金

さまざまな業界における PBF マシンの一般的な用途は何ですか?

• 航空宇宙（タービンブレード、燃料ノズル、ガイドベーン）
• 医療（カスタムメイドの整形外科部品、チタン合金頭蓋/寛骨臼インプラント、人工股関節）
• 自動車（モータースポーツ向けのプロトタイピング、冷却ダクト付きブレーキパッド）
• 軍用機のコンポーネント

PBF マシンの開発は製造業界にどのような影響を与えましたか?

粉末床溶融（PBF）装置の開発は、製造業界にさまざまな面で革命をもたらしました。最も大きな影響の 1 つは、設計の自由度が向上したことです。 PBF マシンを使用すると、従来の製造方法では製造が困難または不可能だった複雑で入り組んだ形状の作成が可能になります。 

PBF マシンのもう 1 つの重要な影響は、プロトタイピングの高速化であり、これにより新製品の開発に必要な時間とコストが大幅に削減されました。ラピッドプロトタイピングを使用すると、メーカーは製品設計を最終決定する前に設計コンセプトを迅速にテストし、改善を加えることができます。 

PBF マシンは製造における無駄の削減にも貢献しています。 PBF マシンは部品の作成に必要な材料のみを使用するため、廃棄物が削減され、材料コストが削減されます。これは環境に利益をもたらすだけでなく、メーカーの収益にも利益をもたらします。効率の点では、PBF マシンは複数の部品を同時に生産できるため、生産性が向上し、部品の製造に必要な時間が短縮されます。最後に、PBF マシンを使用すると、強度、耐久性、耐熱性などの特定の特性を備えたカスタマイズされた部品の製造が可能になります。これにより、顧客の特定のニーズを満たす独自の機能を備えた新製品の開発が可能になりました。 

PBF マシンは DED と比較してどれくらいですか?

PBF マシンと DED (指向性エネルギー蒸着) マシンのコストは、メーカー、モデル、サイズ、機能などのいくつかの要因によって異なります。ただし、一般に、PBF マシンは DED マシンよりも高価になる傾向があります。 PBF マシンはより高度なテクノロジーを使用しており、より高い精度と優れた表面仕上げの部品を製造できます。

PBF マシンを操作する際に従うべき安全対策は何ですか?

ほとんどの製造プロセスと同様に、PBF を使用して部品を製造する際の安全を確保することが最優先事項です。安全に関して考慮すべき点がいくつかあります。 

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PBF マシンは煙や細かい粉塵を排出します。吸入のリスクを最小限に抑えるために、適切に換気された場所で作業するようにしてください。

粉末を扱ったり機械を操作したりするときは、手袋、安全メガネ、マスクなどの PPE を着用してください。

冷めるまでは加熱されたコンポーネントや印刷されたパーツには触れないようにし、特に金属プリントの場合は鋭利なエッジに注意してください。

高温と火花は火災の危険性があるため、消火器を近くに置き、周囲から可燃物を取り除く

金属粉末は危険な場合があります。慎重に取り扱い、吸入や皮膚への接触を避けるために保護具を使用してください。

定期的な点検とメンテナンスは、故障を防ぎ、安全な操作を確保するのに役立ちます。

PBF の後処理

PBF 印刷部品の後処理方法は、使用される材料と製造プロセスによって異なります。 DMLS または SLM で作成された金属 PBF パーツは通常、印刷プロセスによって生じる内部応力を軽減するために熱処理が必要です。熱処理後、サポート構造が除去され、CNC 加工、研磨、表面処理などの後処理が追加されます。 

EBM で作成された金属部品は、レーザーベースの金属 PBF 法とは異なり、固体基板ではなく半焼結粉末ケーキによってサポートされます。粉末床から抽出する必要がありますが、高い成形温度により残留応力が最小限に抑えられるため、通常は熱処理は必要ありません。熱制御または後処理のために犠牲支持体を追加することもできます。プラスチックの SLS 部品はパウダー ベッドから取り外され、均一な仕上げのためにビーズ ブラストを使用して余分な材料を除去するために洗浄されます。これらはそのままにすることも、色のカスタマイズのために染色することもできます。

PBF は積層造形にどのように貢献しますか?

PBF はさまざまな方法で積層造形に貢献します。まず、従来の製造方法では作成が困難または不可能だった複雑な形状の作成が可能になります。次に、強度や耐熱性などの特定の特性を備えたカスタマイズされた部品の作成が可能になります。第三に、従来の製造方法よりもより迅速に、より少ない廃棄物で部品を製造できます。最後に、特に少量で価値の高い製品の製造コストを削減できる可能性があります。

PBF マシンは高価ですか?

はい、PBF マシンは非常に高価です。 100,000 ドル未満のエンドツーエンド システムを見つけることも可能ですが、通常、価格は 150,000 ～ 200,000 ドルの範囲から始まります。ハイエンドの PBF マシンの価格は 100 万ドルを超える場合があります。これらのシステムのコストは、マシンのサイズ、機能、および機能によって異なります。ただし、技術がより普及し、新しいメーカーが市場に参入するにつれて、PBF マシンのコストは時間の経過とともに減少します。さらに、特定の用途に PBF マシンを使用することで得られる潜在的なコスト削減と効率により、一部の企業にとっては投資が正当化される可能性があります。

PBF マシンは DED (指向性エネルギー蒸着) マシンよりも高品質のソリューションを生成しますか?

PBF マシンと DED (指向性エネルギー蒸着) マシンには異なる長所と短所があるため、どちらが高品質のソリューションを生み出すかについて包括的に述べるのは困難です。一般に、PBF マシンは、細部が細かく、表面仕上げが良く、優れた機械的特性を備えた高精度部品の製造に適しています。粉末床溶融プロセスでは、複雑な形状と材料分布の正確な制御が可能になり、場合によっては後処理が必要になるものの、優れた寸法精度と表面仕上げを備えた部品が得られます。 PBF マシンは、金属、セラミック、プラスチックなどの幅広い材料で部品を製造することもできます。

一方、DED マシンは、航空宇宙部品や工業用金型など、複雑な形状の大型部品の製造に適しています。 DED マシンは通常、PBF マシンよりも高速で、より大きなパーツ サイズを処理できますが、精度や表面仕上げが同レベルではない場合があります。

粉末床融着機に関するよくある質問

PBF マシンと DED マシンの違いは何ですか?

PBF マシンと DED (指向性エネルギー蒸着) マシンには異なる長所と短所があるため、どちらが高品質のソリューションを生み出すかについて包括的に述べるのは困難です。一般に、PBF マシンは、細部が細かく、表面仕上げが良く、優れた機械的特性を備えた高精度部品の製造に適しています。粉末床溶融プロセスでは、複雑な形状と材料分布の正確な制御が可能になり、場合によっては後処理が必要になるものの、優れた寸法精度と表面仕上げを備えた部品が得られます。 PBF マシンは、金属、セラミック、プラスチックなどの幅広い材料で部品を製造することもできます。

一方、DED マシンは、航空宇宙部品や工業用金型など、複雑な形状の大型部品の製造に適しています。 DED マシンは通常、PBF マシンよりも高速で、より大きな部品サイズを処理できますが、精度や表面仕上げのレベルが同じではない場合があります。 PBF および DED マシンのコストは、メーカー、モデル、サイズ、機能などのいくつかの要因によって異なります。ただし、一般に、PBF マシンは DED マシンよりも高価になる傾向があります。 PBF マシンはより高度なテクノロジーを使用しており、より高い精度と優れた表面仕上げの部品を製造できます。

PBF マシンは他のタイプの 3D プリンタとどう違うのですか?

PBF マシンは他のタイプの 3D プリンターとはいくつかの点で異なります。主な点は、フィラメントや樹脂ではなく粉末材料を使用してパーツを層ごとに構築する方法です。 PBF マシンは高出力レーザーまたは電子ビームを使用して材料を選択的に融合しますが、他の 3D プリンターは押出成形または光重合法を使用する場合があります。 PBF マシンは、他の 3D プリンティング技術よりも正確で、優れた機械的特性を備えた機能的なプラスチック部品を製造できます。ただし、望ましい表面仕上げを達成するために後処理が必要になることが多く、サイズや形状の点で制限がある場合があります。また、PBF マシンは高価になる傾向があり、操作にはより専門的な知識とトレーニングが必要です。

PBF マシンで使用するのに最適な素材は何ですか?

これは何を作る必要があるか、また予算などのその他の要因によって異なります。各素材には、印刷プロセスに影響を与える可能性のある独自の特性、長所、短所があります。金属は材料を溶かして固めるのに高温とエネルギーを必要とするため、印刷時間とコストが増加する可能性があります。ポリマーは金属よりも必要な温度が低く、エネルギーも少ないため、印刷時間が短縮され、コストが削減される可能性があります。ただし、ポリマーは金属よりも機械的特性が低く、反りや変形が起こりやすい可能性があることに注意してください。繰り返しになりますが、プロジェクトに最適な素材は、必要なプロパティとどれくらいの費用がかかるかによって決まります。

PBF がプロトタイピングに適しているのはなぜですか?

PBF マシンを使用すると、より迅速なプロトタイピングが可能になり、新製品の開発に必要な時間とコストが大幅に削減されます。ラピッド プロトタイピングを使用すると、メーカーは製品設計を最終決定する前に、設計コンセプトを迅速にテストし、改善を加えることができます。

カット・デ・ナウム

Kat de Nagam は、英国出身のライター、著者、編集者、コンテンツ スペシャリストであり、20 年以上の執筆経験があります。 Kat はさまざまな製造組織や技術組織で執筆した経験があり、エンジニアリングの世界が大好きです。執筆活動の傍ら、キャットはほぼ 10 年間パラリーガルとして活動し、そのうち 7 年間は船舶金融業務に携わっていました。彼女は印刷物とオンラインの両方で多くの出版物に寄稿しています。キャットはキングストン大学で英文学と哲学の学士号を取得し、クリエイティブライティングの修士号を取得しています。

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