EBM金属3Dプリント技術の紹介

電子ビーム溶解法（EBM）

1994年、スウェーデンの企業ARCAMは、電子ビーム溶解と呼ばれる技術の特許を申請しました。ARCAMは、電子ビームによる高速製造を商業化した世界初の企業でもあり、2003年に第1世代の装置を発売しました。それ以来、マサチューセッツ工科大学、NASA、北京航空製造工学研究所、中国の清華大学は、それぞれ独自の電子ビームベースの高速製造システムを開発してきました。電子ビームソリッドフリーフォームファブリケーション (EBSFF) は、MIT によって開発された技術です。 EBSFF 技術は、ワイヤ供給を使用して成形材料を供給します。最初の 2 つのタイプは、電子ビームを使用して金属ワイヤを溶かします。電子ビームは固定されており、金属ワイヤはワイヤ供給装置と作業台を通過します。レーザー近接製造技術と同様に、電子ビームヒューズ堆積の急速製造中には、電子ビーム電流、加速電圧、集束電流、偏向スキャン、作動距離、ワークピースの移動速度、ワイヤ供給速度、ワイヤ供給方向、ワイヤ供給角度、ワークピースからのワイヤ端の高さ、ワイヤ延長長さなど、多くの影響要因があります。これらの要因は相互に作用して溶融物の断面の幾何学的パラメータに影響を与え、単一の要因の影響を区別することは非常に困難です。スウェーデンのARCAMと清華大学が開発した選択領域溶融（EBSM）は、電子ビームを使用して作業面上に広げられた金属粉末を溶かします。レーザー選択領域溶融技術と同様に、電子ビームのリアルタイム偏向を使用して溶融と成形を実現します。この技術は2次元の可動部品を必要とせず、金属粉末の迅速なスキャンと成形を実現できます。

電子ビーム選択溶融（EBSM）の原理

レーザー選択焼結プロセスやレーザー選択溶融プロセスと同様に、電子ビーム選択溶融 (EBSM) は、高エネルギーの高速電子ビームを使用して金属粉末を選択的に照射し、粉末材料を溶かして形を作る高速製造技術です。 EBSM 技術のプロセスは次のとおりです。まず、粉末の層を粉末拡散面に広げます。次に、コンピューターの制御下で、断面プロファイルの情報に従って電子ビームが選択的に溶融します。金属粉末は電子ビームの衝撃下で一緒に溶融され、下の成形部品に結合し、部品全体が完全に溶融するまで層ごとに積み重ねられます。最後に、余分な粉末を除去して、目的の 3 次元製品が得られます。ホストコンピュータのリアルタイムスキャン信号は、デジタルからアナログへの変換と電力増幅を経て偏向コイルに送信され、対応する偏向電圧によって生成される磁場の作用により電子ビームが偏向され、選択的溶融が実現されます。 10 年以上の研究を経て、電子ビーム電流、集束電流、動作時間、粉末の厚さ、加速電圧、スキャンモードなどのいくつかのプロセスパラメータについて直交実験を実行できることがわかりました。作用時間は成形に最も大きな影響を与えます。

電子ビーム選択溶解の利点

電子ビーム直接金属成形技術は、高エネルギー電子ビームを加工熱源として使用します。磁気偏向コイルを操作することでスキャン成形を行うことができます。機械的な慣性がなく、電子ビームの真空環境により、液相焼結または溶融中に金属粉末が酸化されるのを防ぐこともできます。レーザーと比較すると、電子ビームはエネルギー利用率が高く、作用深度が大きく、材料吸収率が高く、安定性があり、運用・保守コストが低いなどの利点があります。 EBM 技術の利点は、成形プロセスにおける高効率、部品の変形が小さい、成形プロセスで金属サポートが不要、微細構造がより緻密などです。電子ビームの偏向と焦点制御がより高速かつ高感度です。レーザーの偏向にはガルバノメータの使用が必要であり、レーザーが高速でスキャンしているときはガルバノメータの回転速度が非常に速くなります。レーザー出力が大きい場合、ガルバノメータにはより複雑な冷却システムが必要となり、ガルバノメータの重量も大幅に増加します。したがって、より高い出力のスキャンを使用する場合、レーザーのスキャン速度は制限されます。大きな成形範囲をスキャンする場合、レーザーの焦点距離を素早く変更することも困難です。電子ビームの偏向と集束は磁場を利用して行われ、電気信号の強度と方向を変えることで電子ビームの偏向量と集束長を迅速かつ高感度に制御できます。電子ビームの偏向および集束システムは金属の蒸発によって妨げられることはありません。レーザーと電子ビームを使用して金属を溶かすと、金属蒸気が成形空間全体に拡散し、接触した物体の表面に薄い金属膜が堆積します。電子ビームの偏向と集束はすべて磁場内で行われるため、金属の蒸発による影響を受けません。一方、レーザーガルバノメータなどの光学機器は蒸発によって簡単に汚染されます。

電子ビーム選択溶解の主な問題点

真空チャンバーの排気プロセス中、粉末は空気の流れによって簡単に運び去られ、真空システムを汚染しますが、より特殊な問題、つまり粉末崩壊現象があります。その理由は、電子ビームの運動エネルギーが大きいためです。電子ビームが金属原子に高速で衝突して加熱し、温度を上昇させると、電子の運動エネルギーの一部も粉末粒子の運動エネルギーに直接変換されます。粉末の流動性が良好であれば、粉末粒子は電子ビームによって押しのけられ、崩壊現象が発生します。粉末の調理を防ぐための基本原則は、粉末層の安定性を高め、電子ビームの推力を克服することです。主な対策は、粉末の流動性を下げる、粉末を予熱する、成形ベースプレートを予熱する、電子ビームのスキャン方法を最適化するという4つです。そのため、粉末材料は真空電子ビーム装置で処理することが常に困難であり、プロセスパラメータに関する研究はほとんど報告されていません。粉末が電子ビームの作用で崩壊しやすいという現象を考慮して、異なる粉末システムが耐えることができる電子ビーム閾値電流（崩壊電流）と電子ビーム走査閾値速度（崩壊速度）が提案され、これに基づいて混合粉末が研究されています。EBM技術の成形チャンバーは、機器の正常な動作を確保するために高真空状態にする必要があり、EBM技術全体の複雑さが増しています。さらに、真空状態では粉末が簡単に舞い上がり、システムの汚染を引き起こす可能性があります。さらに、EBM 技術では、粉末を成形チャンバー内で予備焼結して固化させるために、システムを 800°C 以上に予熱する必要があります。予熱温度が高いため、システム全体の構造に非常に高い要求が課せられます。処理後、部品を真空成形チャンバー内でかなりの時間冷却する必要があり、部品の生産効率が低下します。

電子ビームはレーザービームのように細かい点に焦点を合わせることが難しいため、成形品に高い寸法精度を出すことが困難です。そのため、電子ビーム選択溶融技術を用いて精密または微細構造を有する機能部品を直接製造することは困難です。電子ビーム偏向エラー。 EBSM システムは、磁気偏向コイルを使用して磁場を発生させ、電子を偏向させます。偏向の非線形性と磁場の不均一性により、電子ビームは広範囲をスキャンするときにピンクッション歪みを呈します。高い偏向角度で焦点がぼけます。 EBSM システムは、集束コイルを使用して電子ビームを集束します。集束コイルの電流が一定であれば、電子ビームの集束面は球形となり、電子ビームは平面上を走査します。したがって、電子ビームは偏向されていないときには焦点が合っていますが、大きな角度で偏向されると焦点がずれてしまいます。

国内外の研究状況

2003 年に最初のマシン S12 を発売して以来、ARCAM は 3 台の成形機を発売しました。新世代の成形設備A1およびA2成形設備では、成形部品の最大サイズと精度が大幅に向上し、成形部品の冷却において自動冷却が実現されています。成形および冷却プロセス中に真空チャンバーを一定の圧力でヘリウムで満たすと、酸素含有量を低く維持しながら成形後の冷却速度を加速できます。 A1 と A2 設備の応用分野もより明確です。A1 は主に骨インプラントの成形に使用され、成形材料は主にチタンとコバルト合金です。A2 は主に航空宇宙および防衛分野に必要な部品の成形に使用され、他の分野で成形の複雑度が高い金属部品の小ロット生産にも使用されます。 ARCAM は最新の A1 および A2 設備を使用して、精度と強度が向上した多数の部品を生産しています。A1 を使用して生産された合金骨はすでに CE 認証に合格しており、これまでにヨーロッパ大陸の 10,000 人以上の患者に恩恵をもたらしました。また、2011 年初頭には米国 FDA 認証も取得しました。 A2を使用して生産された航空・防衛分野の製品も目覚ましい成果を上げています。前述の滑らかな表面と複雑な形状の加工能力に加え、原材料と最終製品の品質の比率が15～20から約1に減少し、コストを大幅に削減しました。

NASAラングレー研究センター、シアキー社、ロッキード・マーティン社など米国の研究機関は、航空宇宙用チタン合金とアルミニウム合金構造に関する多くの研究を行っており、最大成形速度は3500cm3/hに達し、他の金属急速成形技術よりも数十倍効率的です。この技術は、F-22 のチタン合金サポートを直接製造するために使用されました。部品は、最大荷重フルスペクトル疲労試験 2 サイクルに合格し、永久変形は検出されませんでした。中国清華大学機械工学部は独自に電子ビーム選択溶融装置を開発し、2004年に第1世代の電子ビーム選択溶融成形装置EBSM150を発売し、2008年に第2世代の装置EBSM250にアップグレードしました。成形部品の最大サイズは230mm×230mm×250mmに拡大しました。研究グループは、独自に開発した装置を使用して、電子ビーム選択溶融プロセスのいくつかの重要な問題について詳細な研究を実施しました。過去10年間、彼らは成形制御システムの開発、粉末予熱プロセス、走査経路の計画、成形部品の機械的特性など、多くの研究開発作業を行ってきました。

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