電子ビーム溶解 (EBM):迅速な CNC 品質の金属 3D プリンティング

金属 3D プリンティングは、複雑な金属工具や部品の製造方法を変革しました。電子ビーム溶解 (EBM) は、金属の耐久性と強度を備えながら 3D プリントの速度で部品をプリントできるため、CNC 加工や金属鋳造に代わる確実な代替手段です。

EBM は、金属粉末の各薄層が加熱されたベッド上に堆積され、その後、所定の位置で溶融または焼結されるという点で、SLM (選択的レーザー溶融) および SLS (選択的レーザー焼結) に似た粉末床溶融プロセスです。ただし、EBM は、粉末を溶融するエネルギー源がレーザー ビームではなく電子ビームであり、プロセスが大気圧ではなく真空下で行われるという点で、これらのプロセスとは異なります。クロム コバルトとチタンの合金は、EBM 3D プリントで最も一般的に使用される 2 つの材料です。

電子ビーム溶解の歴史は 1993 年に遡り、その原理はスウェーデンのヨーテボリにあるチャルマーズ工科大学と協力して Arcam 社によって初めて特許が取得されました。彼らの目標は、電子ビームで導電性金属粉末を溶かすことによって、層ごとに 3D オブジェクトを作成することでした。 1997 年、Arcam は Arcam AB に再編され、EBM 3D プリンティング プロセスの開発と商業化が継続されました。

この記事では、電子ビーム溶解についてさらに深く掘り下げ、電子ビーム溶解とは何か、その利点と欠点、他の 3D プリント プロセスとの類似点と相違点に至るまで、あらゆることを説明します。

電子ビーム溶解 (EBM) とは何ですか?

電子ビーム溶解は、導電性金属粉末と電子ビームを使用して部品を層ごとに製造する 3D プリンティング プロセスです。このプロセスが機能するには、プリント チャンバー内に約 0.0001 mbar の真空を作り出す必要があります。真空が存在しない場合、高エネルギーの電子がガス分子とより頻繁に衝突し、印刷プロセスを完了するために必要なエネルギーがビームから奪われます。真空が得られると、ビルド プラットフォームが非常に高温 (約 600 ～ 1000℃) に加熱され、金属粉末が正確に堆積されて、印刷される部品の現在の断面層が形成されます。その時点で、電子ビームは造形プラットフォーム上を注意深く移動し、さらに高い温度を使用して新しい粉末層を選択的に溶融し、以前に印刷された層と融合させます。レイヤーが完成するとビルドプラットフォームが1レイヤー分だけ下がります。このプロセスは、パーツ全体が印刷されるまで繰り返されます。

電子ビーム融解図

EBM 印刷の歴史とは何ですか?

電子ビーム技術の起源は、ヨハン・ヴィルヘルム・ヒトルフとウィリアム・クルックスが金属を溶かすためにガス中で陰極線（電子ビームの別名）を実験した 1869 年に遡ります。彼らの実験は多くの発見をもたらしました。しかし、h.c.博士がこう言ったのは 1952 年になってからでした。 Karl-Heinz Steigerwald は、商業用途に向けた最初の実用的な電子ビーム プロセスを開発しました。その時点では、電子ビームは主に溶接用途に使用されていました。 40 年以上後の 1993 年に、EBM の原理と理論はスウェーデンの企業 Arcam によって初めて特許を取得しました。これは、スウェーデンのヨーテボリにあるチャルマーズ工科大学との協力によって可能になりました。 EBM 3D プリンティング プロセスの開発と商品化を継続するため、1997 年に同社は Arcam AB に再編されました。 Arcam AB は 2016 年に GE に買収され、GE Additive に統合されました。

電子ビーム溶解の目的は何ですか?

電子ビーム溶解の目的は、3D プリンティング (積層造形) によって金属部品を製造することです。より正確には、電子ビーム溶解は、材料の特定のパターンを一度に 1 層ずつ溶解することによって金属コンポーネントを構築する方法です。積層造形にはさまざまなアプローチがありますが、EBM の目的は特に、高融点の金属を使用して製造することです。その用途は主に、航空宇宙および医療分野の複雑で入り組んだ部品の構築です。

電子ビーム溶解の重要性は何ですか?

電子ビーム溶解の重要性は、3D プリンティング用途でチタンや高合金工具鋼などの金属の使用が可能になることです。したがって、EBM は、製造可能なコンポーネントに新たな可能性をもたらします。積層造形により、これまで不可能だった形状、特に内部が複雑な部品の構築が可能になります。この利点の 1 つは、積層造形により複数のコンポーネントを単一のコンポーネントとして製造できるため、組み立てが簡素化されることです。ただし、積層造形は、比較的安価で融点が低い熱可塑性プラスチック材料を使用して主に開発されてきました。これにより、3D プリント部品の有用な用途が大幅に制限されます。電子ビーム溶解の重要性は、チタンやニッケル合金などの金属から 3D プリント部品を製造できることです。高融点金属は、その強度、生体適合性、耐食性を備えているため、積層造形から恩恵を受けることができるアプリケーションの範囲を広げます。

電子ビーム溶解は従来の製造方法とどう違うのですか?

電子ビーム溶解は積層造形の方法であるため、従来の製造方法とは異なります。これは、EBM を使用して、構築中のコンポーネントに材料を (特定のパターンで) 連続的に追加することによって製造することを意味します。これは、金属のブロックから開始して材料を除去して最終形状を達成する (つまり、フライス加工や機械加工) か、金型を使用して溶融金属を特定の事前に決定された形状に鋳造する従来の製造方法とは根本的に異なります。これらの方法は通常、材料効率が低く (再処理される材料の割合が高い)、リードタイムが長くなり、関連する工具コストもかかります。 EBM を使用すると、材料を無駄にすることなく、デジタル設計からコンポーネントを直接製造できます。ただし、まだ若い技術であるため、設備や材料はまだ比較的高価です。テクノロジーが成熟するにつれて、これらのコストは低下すると予想されます。

電子ビーム溶解は何に使用されますか?

電子ビーム溶解 3D プリンティングは、複雑な形状の部品の小バッチ製造や概念実証の検証に使用されます。 EBM システムと印刷に使用される粉末は高価であるため、このプロセスが大量生産に使用されることはほとんどありません。 EBM は高強度金属部品を製造しており、主に航空宇宙、モータースポーツ、医療業界で使用されています。 EBM プリント部品は、タービン ブレード、エンジン コンポーネント、医療用インプラント、プロテーゼなどの高性能部品に使用されています。

電子ビームの溶解は何に似ていますか?

電子ビーム溶解は、選択的レーザー溶解 (SLM) などの他の粉末床融合 3D プリンティング プロセスと似ています。  選択的レーザー焼結（SLS）。 EBM では、電子ビームを利用して金属粉末を選択的に溶解および融合し、層ごとに部品を形成します。 SLM では、レーザーが加熱されたビルド プラットフォーム上の金属粉末を選択的に溶解および融合させます。 SLS はほぼ同じプロセスです。ただし、金属粉末の代わりにポリマー粉末がレーザーによって選択的に焼結および融合されます。

EBM は、パーツの作成にレーザーではなく電子ビームを使用すること、パーツを印刷するために真空が必要なこと、およびビルド プラットフォームの温度を高くする必要がある点で、これら 2 つのプロセスとは異なります。

電子ビーム溶解はどのように機能しますか?

EBM 3D プリンティングは、真空中で加熱されて電子ビームを生成するタングステン フィラメントによって可能になります。真空が得られると、ビームが生成され、金属粉末がビルド トレイ上に堆積され、印刷を開始できるようになります。 EBM 3D プリント部品を作成する手順を以下に説明します。

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金属粉末をビルド プラットフォーム上に堆積させて、プリントするパーツの現在の断面層を形成します。

3D プリンター チャンバーの圧力が約 0.0001 mbar まで低下します。

必要な真空レベルが得られると、電子ビームがオンになり、ビルド プラットフォーム全体が必要な温度（600 ～ 1000℃）まで加熱されます。

ビルド プラットフォームが加熱されると、電子ビームがビルド プラットフォームに正確に移動し、さらに高温で金属粉末粒子を溶かして融合します。

1 つのレイヤーが完了すると、ビルド プラットフォームは 1 つのレイヤーに相当する高さまで下がります。

新しいパウダー層が堆積され、パーツ全体が印刷されるまでこのプロセスが繰り返されます。

パーツはプリンターから取り外される前に、冷却されるまで (多くの場合一晩) 放置されます。

部品が冷却された後、残った半焼結粉末とサポート構造を除去する必要があります。

電子ビーム溶解機の主なコンポーネントは何ですか?

電子ビーム溶解機の主なコンポーネントは次のとおりです。

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電子ビーム銃: これが溶解のエネルギー源となります。ビームはタングステン フィラメントから作成されますが、ガンには、溶解のためにビルド エリア内の正確な位置にビームを導くための集束コイルと偏向コイルも含まれています。

真空 (ビルド) チャンバー: 製造プロセスは真空チャンバー内で行われ、材料の酸化を防ぐために真空が維持されます。

パウダーホッパー: 粉末材料は粉末ホッパー内に保持され、そこから計量されて溶解されます。

パウダー ローラー: パウダー ローラーは造形エリア全体を移動して、パウダーの層を均一に広げます。したがって、各レイヤーが溶解された後、ローラーは造形エリア全体を移動して、次のレイヤーの溶解に備えます。

プラットフォームの構築: ビルド プラットフォームは、連続して構築されるコンポーネントをサポートします。プラットフォームは少しずつ下降し、コンポーネントの最上端が次の粉末層が形成されるのに適切な高さになります。

電子ビームの溶解はどのくらい正確ですか?

EBM 印刷は通常、SLM 印刷よりも精度が低くなります。これは、SLM では通常、使用される金属粉末が EBM よりも細かく、ビルド層が通常より薄いためです。 EBM 印刷部品の層が厚いと、表面の仕上げが粗くなる可能性があります。したがって、EBM 印刷パーツで希望の公差と表面仕上げを得るには後処理が必要になる場合があります。

電子ビーム溶解にはどのような材料が使用できますか?

EBM では限られた範囲の金属のみを使用できます。チタンとクロムコバルト合金は、一般的に使用される 2 つの材料です。特定の鋼粉末やインコネル 718 も使用できます。電子ビーム溶解 3D プリントでは部品を構築するために導電性材料が必要なため、ポリマー材料やセラミック材料は使用できません。

電子ビーム溶解はプラスチックに使用できますか?

いいえ、電子ビーム溶解はプラスチック素材には使用できません。プラスチックの大部分は電気を通さないため、電子ビームを引き寄せることができません。さらに、電子ビーム溶解で達成される温度は、ほとんどのプラスチックの融点をはるかに超えるため、溶解ではなく焦げが発生します。

電子ビーム溶解はセラミックに使用できますか?

いいえ、電子ビーム溶解は一般的なセラミックには使用できません。電子ビームを引き付けるためには、ビームを受ける材料が導電性である必要があります。これにより、一般にこの技術は金属材料に限定され、ほとんどのセラミックは導電性がありません。一部の人工セラミックには導電性がありますが、現在、これらはいずれも EBM で使用するために開発されていません。 

電子ビーム溶融印刷の利点は何ですか?

EBM 3D プリンティングの利点は次のとおりです。

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EBM は、良好な機械的特性を備えた高密度パーツを印刷します。

EBM では、印刷温度が上昇するため、SLM 印刷では製造できない脆い部品を印刷できます。

未使用のパウダーをリサイクルして後の印刷ジョブに使用できるため、無駄を効果的に最小限に抑え、コストを削減できます。

EBM で使用される電子ビームは、真空を使用することで異物分子が印刷を妨げないため、SLM で使用されるレーザー ビームよりも強力です。この高いエネルギー レベルにより、SLM と比較して EBM の印刷速度が速くなります。

EBM は、鋳造や CNC 機械加工などの従来の製造方法に匹敵する高品質の部品を製造できます。

電子ビーム溶融印刷の欠点は何ですか?

EBM 3D プリンティングの欠点は次のとおりです。

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EBM は、電子ビーム技術と金属粉末を使用するため、非常に高価なプロセスになる可能性があります。

EBM プロセスを使用して印刷できるのは、限られたグループの金属のみです。

EBM 印刷部品は、粉末粒子サイズと印刷層の高さの違いにより、SLM 印刷部品に比べて寸法精度が低くなる傾向があります。

電子ビーム溶解はどのような課題に直面していますか?

EBM は非常に魅力的で将来性のある製造方法です。ただし、現在のテクノロジーにはいくつかの制限があり、その使用が制限されています。まず、EBM は限られた数の材料でのみ使用が承認されています。 EBM での使用に適した粉末材料とグレードが増えると、より幅広い市場に対応できるようになります。 

この技術のもう 1 つの制限は、かなり複雑な機器を使用することです。粉末材料を機械内で処理し、何百もの層にわたって一貫して造形表面全体に均一に広げる方法。これには、他のタイプの積層造形よりも複雑な機械が必要です。電子ビーム自体も複雑なエネルギー源です。

これらの側面が組み合わさって、EBM の別の制限が形成されます。これは依然として高価な製造技術です。したがって、高価なコンポーネントやカスタムメイドのコンポーネントなど、費用対効果の高い使用例が限定されます。

電子ビーム溶解を使用して部品を製造するプロセス フローは何ですか?

電子ビーム溶解プロセスを使用した製造の最初のステップは、電子 3D モデルを作成することです。次に、このモデルは「スライス」ソフトウェアによって処理され、3D コンポーネントが一度に 1 つずつ印刷される個別のレイヤーに縮小されます。スライスされた 3D ファイルは EBM マシンに送信されます。

機械では、プロセスの最初の部分は、製造に使用する粉末材料を投入することです。次に、マシンはビルド チャンバー内を真空にします。この真空は、電子ビーム内の電子がガス粒子と相互作用しないようにするため、また、溶融金属が酸化しないようにするために必要です。 

製造が始まると、粉末の薄い層が造形エリア全体に広がります。この粉末はまず予熱され、次に電子ビームを使用して粉末が一緒に溶解されます。電子ビームは特定の経路をたどって、構築中のコンポーネントの層を固化するのに必要な領域のみで粉末を溶かします。層が完成したら、ビルド プレート (およびコンポーネント) をわずかに下げ、新しい粉末の新しい層をその上に広げます。この粉末は予熱され、電子ビームによって溶かされて次の層が作成されます。パーツが層ごとに完全に製造されると、ビルド チャンバーから取り出され、余分な未溶解の粉末が除去されます。

EBM に必要な温度はどれくらいですか?

EBM 3D プリンティング プロセスの溶融部分では、EBM プリンティング プロジェクトで通常使用されるチタンなどの高融点材料を溶融するために 2000℃ を超える温度が必要になる場合があります。タングステン合金は 3000℃ 以上での溶融が必要となる場合があります。

EBM 印刷の予熱段階でも、ビルド プラットフォームを 600 ～ 1000℃ に加熱する必要があります。ビルドプラットフォームを高温に予熱すると、印刷パーツの残留応力が最小限に抑えられ、機械的特性が向上します。ただし、ビルド プラットフォームの温度が高くなると、オーバーハングの反りを防ぐために適切な量のサポートが必要になります。

サポートは熱をパーツからビルド プラットフォームに伝導するのに役立ち、パーツ全体の熱応力を効果的に軽減します。

EBM プロセスが真空中で実行されるのはなぜですか?

EBM プロセスは、印刷部品の残留応力を軽減し、温度上昇による印刷部品の酸化を防ぐために真空中で実行されます。真空が存在しない場合、ビーム内の電子が空気中に存在する分子と衝突する可能性があります。
これにより、電子がガス分子とより頻繁に衝突し、印刷プロセスを完了するために必要なエネルギーがビームから奪われます。
通常、EBM 印刷で見られるような高温で金属を加熱すると、酸化が促進され、最終製品が脆くなる可能性があります。ただし、EBM では、真空チャンバー内で印刷することで、酸化と、酸化によって引き起こされる延性や靭性の欠如が実質的に排除されます。

電子ビーム溶解を使用してどのような種類の製品が一般的に製造されますか?

電子ビーム溶解は、ジェット エンジン用のタービン ブレードやモーター スポーツ用のカスタム ターボチャージャー コンポーネントなどの特殊用途向けの金属製品の製造に一般的に使用されます。この種の製品は、一般的な鋳造には適さない材料を使用して複雑な部品を製造する EBM の能力の恩恵を受けることができるため、この方法で製造されます。 EBM は、医療業界でインプラントやプロテーゼに使用されるカスタム チタン (生体適合性) コンポーネントの 3D プリントにも使用されます。

電子ビーム溶解技術を主に使用している業界は何ですか?

電子ビーム溶解技術は通常、次のような特殊な高性能コンポーネントを必要とする業界で使用されます。

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航空宇宙: EBM は、ジェット エンジン用のタービン ブレードや航空宇宙産業のその他の重要なコンポーネントの製造に使用されます。

医療: チタン インプラントは、個々の患者に合わせてカスタム形状を作成できる積層造形機能を利用して、医療業界向けに EBM によって製造されています。

自動車とモータースポーツ: カスタムの高性能パーツは EBM を使用して金属から製造され、従来の製造方法よりも開発期間が短縮されます。

電子ビーム溶解の応用例は何ですか?

電子ビーム溶解アプリケーションは、チタンやニッケル合金などの高価な金属から製造される特殊な部品に焦点を当てています。したがって、EBM の用途は主に、ジェット エンジンのタービン ブレードなどの航空宇宙産業、またはカスタム ターボチャージャー コンポーネントのモータースポーツ産業です。チタン（生体適合性）を EBM で 3D プリントできるという事実は、チタンが医療分野、特に人工股関節などのプロテーゼの整形外科分野で応用できることも意味します。

電子ビーム溶解は航空宇宙産業にどのような影響を与えましたか?

電子ビーム製造は、新しい材料を使用して新しく軽量なコンポーネントを製造できるようにすることで、航空宇宙産業に影響を与えてきました。 EBM の製造プロセスは、従来の鋳造プロセスとは根本的に異なります。コンポーネントを層ごとに構築すると、さまざまな形状を構築したり、さまざまな材料 (アルミニウム化チタンなど) を使用したりできます。一例としては、ジェット エンジン用のタービン ブレードを軽量化することで、重量の軽減により燃料を節約できることが挙げられます。 EBM を使用すると、キャストでは不可能なユニット間の設計変更も可能になります。

電子ビーム溶解 (EBM) テクノロジーの医療応用はありますか?

はい、電子ビーム溶解には医療用途があります。チタン合金は EBM で使用される一般的な材料であり、チタンはその生体適合性と強度により医療用インプラントにも一般的です。 EBM は主に整形外科内で適用されており、そこでは股関節などの 3D プリントされたコンポーネントが一般的です。

電子ビーム溶解 (EBM) はエンジン コンポーネントの製造に使用されますか?

はい、電子ビーム溶解は自動車産業のエンジン部品の製造に使用されています。 EBM で製造された部品はコストが高いため、その使用はカスタム ターボチャージャーなどの特殊な高性能部品に限定されています。 EBM は、タービン ブレードなどのジェット エンジン用のコンポーネントを製造するために航空宇宙産業でより一般的に使用されています。

EBM 3D プリントと SLM 3D プリントの違いは何ですか?

SLM (選択的レーザー溶融) は、LPBF (レーザー粉末床溶融) プロセスです。 「SLS」という名前はもともと SLM Solutions (現 Nikon SLM Solutions Group AG) によって商標登録されましたが、金属 LPBF システムの総称としてよく使用されます。

EBM と SLM 3D プリンティングの違いは次のとおりです。

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EBM は電子を使用して粉末を溶解しますが、SLM はレーザーからの光子を使用して金属粉末を溶解します。

EBM ではパーツの印刷に真空が必要ですが、SLM では大気圧に近い圧力で不活性ガスを使用してパーツを印刷します。

EBM は主にチタン、コバルト クロム、一部のニッケルベースの超合金を処理しますが、SLM はステンレス鋼、アルミニウム、銅などのより幅広い金属をサポートします。

EBM は、粉末の粒子サイズが大きく、印刷層の高さが必要なため、一般的に SLM よりも寸法精度が低く、表面が粗い部品を印刷します。

EBM は、EBM テクノロジーと使用される金属粉末のため、SLM よりも高価です。

EBM 3D プリントと DMLS 3D プリントの違いは何ですか?

DMLS (ダイレクト メタル レーザー シンタリング) は、SLM 3D プリンティングとほぼ同じです。 DMLS という名前は EOS GmbH の商標です。 「焼結」という言葉が使用されているにもかかわらず、このプロセスは実際には粒子を焼結するのではなく、一緒に溶かすものです。

SLS と DMLS の印刷パラメータにいくつかの違いがあることを除けば、基本的には同じテクノロジーです。

したがって、EBM と DMLS の違いは、EBM と DMLS の違いと非常に似ています。

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EBM は高エネルギー電子ビームを使用して金属粉末を溶解しますが、DMLS は高出力レーザーを使用して同じプロセスを実現します。

EBM は真空環境で動作しますが、DMLS は大気圧に近い不活性ガス雰囲気（アルゴンや窒素など）で動作します。

EBM は主にチタン、コバルト クロム、特定のニッケルベース超合金などの材料に使用されますが、DMLS はステンレス鋼、アルミニウム、工具鋼、チタンなどのより幅広い種類の金属に対応します。

EBM は、粉末粒子が大きく印刷層が厚いため、表面仕上げが粗くなるため、DMLS よりも寸法精度が低くなる傾向があります。

EBM マシンは一般に高価ですが、実際の費用は対象用途、材料の選択、生産ニーズによって異なります。

概要

この記事では、電子ビーム溶解 (EBM) 3D プリンティング テクノロジについて、その仕組み、利点、材料、他の 3D プリンティング プロセスとの比較などをまとめました。電子ビーム溶解 3D プリントの詳細と、それをプロジェクトに適用する方法については、Xometry の担当者にお問い合わせください。

Xometry は、プロトタイピングや生産のあらゆるニーズに対応する 3D プリンティングやその他の付加価値サービスを含む、幅広い製造機能を提供します。詳細を確認するか、義務のない無料の見積もりをリクエストするには、当社の Web サイトにアクセスしてください。

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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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