電子ビーム金属 3D 印刷技術革命: GE ポイント溶融、粉末サポート、ベースプレートなし

南極のクマの紹介: 電子ビーム金属 3D 印刷技術は大きな変化をもたらしました。GE はポイント溶融、粉末サポート、ベースレス印刷を実現しました。
2024年9月2日、アンタークティックベアは、今年6月に開催されたRAPID+TCT2024展示会で、ゼネラル・エレクトリック・エアロスペース（GE）の新しく改名された子会社であるColibrium Additiveが、主に以下の画期的な製品を発表したことを知りました。1.ソフトウェア：EBM Control 6.4、コアとなる電子ビーム粉末床溶融結合（PBF-EB）ソフトウェアのアップグレード版。 Colibrium は、EBM Control 6.4 には、ポイントメルト、パウダーサポート、プレートフリー印刷技術という 3 つの最も重要な更新機能があると指摘しました。2. 機器: Spectra シリーズの電子ビーム粉末ベッド溶融結合 (EB-PBF) プリンターの最新モデルであるSpectraMと Colibrium Additive Spectra L プリンターは、どちらも EBM Control 6.4 ソフトウェアを実行できます。3. 材料: レーザー粉末ベッド溶融結合機器ソリューション用の粗粒チタン合金粉末 (Ti64)。
△SpectraM 3Dプリンター。画像はColibrium Additiveより。
スポット溶融、粉末サポート、プレートレス印刷
Spectra M プリンターには、 PointMelt 、Powder Supports、Plate Freeテクノロジーと互換性のある新しい EBMControl 6.4 が搭載されています。アプリケーションに応じて、お客様は、表面仕上げや機械的特性を損なうことなくサポートフリーの印刷を可能にするように設計された、高生産性テーマまたは高度なポイントメルトプロセス機能のいずれかを選択できます。
△Colibrium には Spectra マシンとそれに付随する EBMControl6.4 ソフトウェアがあります。さらに、Colibrium Additive は EB-PBF ソフトウェアのメジャーアップグレードである EBMControl 6.4 をリリースしました。このアップグレードには、ポイントメルト、パウダーサポート、プレートフリーなどの革新的な機能が含まれており、新しい Spectra M プリンターと既存の Spectra L プリンターで利用できます。
ポイントメルト技術は、線ではなく小さな「点」を通して金属粉末を溶かすため、より正確な温度制御が可能になり、温度勾配が低減します。 Colibrium は、これにより優れた等方性材料特性と大幅に向上した降伏強度が実現され、配向の自由度が高まり、表面粗さが改善されると主張しています。プレスリリースによれば、ポイントメルト法で作られた部品は、レーザー粉末床溶融結合法に匹敵する優れた表面仕上げを実現しているという。 Colibrium Additive のシニアプロダクトマネージャーである Oscar Angervall 氏は、次のように説明しています。「適応型ソフトウェアアルゴリズムによって制御される Point Melt は、溶融スキャン戦略に大きな変化をもたらします。金属部品は、張り出した構造を構築するために必要なサポートが減り、表面品質が向上するというメリットがあります。」
△ EBMポイントメルト技術による微細構造制御を実現。画像はColibrium Additiveより。
PowderSupports は、造形プロセス中に部品サポート構造を設計するための新しいソリューションであり、造形プロセス中のサポート構造の必要性を大幅に削減または排除し、寸法精度を維持しながら後処理コストを削減します。これまで、SLS レーザー焼結ではナイロンや TPU などのポリマー粉末材料のみが粉末支持を実現できました。現在、GE は金属粉末の自己支持を実現しています。
PlateFree は、従来の「ランチプレート加熱」に代わるものであり、コスト効率に優れた手間のかからない構築方法を提供し、マシンのサイクル時間と汚染リスクを削減し、マシンサイクルごとに複数の構築を可能にします。プレートレス加熱起動プロセス中に、粉末は徐々に焼結され、部品を製造できるレベルに達し、品質とコストの面で利点をもたらします。これらの利点は次のとおりです。

機械のターンアラウンド時間とオペレーターの依存度を削減します。
汚染のリスクを軽減し、カソードの寿命を延ばします。
各マシンは一度に複数のビルドタスクを開始できます。
かさばり、スペースを占有し、高価な消耗品が不要になります。

さらに、「プレートフリー」と「プレート加熱開始」はどちらもテーマ化されているため、印刷ジョブを切り替える必要がありません。
Seuratの地域焼結金属3Dプリント技術との比較<br /> 前述のGEのポイントメルトプリンティング技術は、粉末を溶かすために「点状」の高エネルギービームを使用するが、Seuratも局所焼結金属3Dプリンティング技術を開発している。 Seurat の特許技術は原理的には SLM 技術に似ていますが、違いもあります。Seurat の新技術は、レーザー光源の数を増やすのではなく、まったく新しいビーム処理方法を使用して、毎回の溶融量を増やします。従来の金属積層造形システムのスポット径は 100 ミクロンです。単一レーザーシステムでは、直径 100 ミクロンのレーザーを使用してスキャンと印刷を行います。 Seurat システムは、15 平方ミリメートルの正方形の領域に 200 万個のレーザースポットを照射します。各光スポットの直径は約 10 ミクロンで、一度に 1 つの領域が印刷されることになります。この技術の具体的な実装は次のとおりです。1.パルス赤外線レーザー光源のビーム成形により、均一な正方形のフィールドを生成できます。 2. 青色光プロジェクターを使用して、正方形レーザービームと同じサイズのエリアパターン投影を生成し、2 つのビームを位置合わせします。 3. 青色と赤外線の「ピクセル」が重なり合う光学的にアドレス可能な光バルブ (OALV) を通して赤外線レーザービームを水平に偏光します。垂直偏光のため、赤外線と青色は重なり合いません。 4. 垂直偏光と水平偏光の赤外線レーザービームを分離し、スキャナーシステムを介して領域パターンをさらに処理して、パターン化された領域の粉末床を溶融します。

分析してみると、このテクノロジーの威力を理解しやすくなるかもしれません。

レーザー印刷の照射効率で見ると、Seuratのスポット面積は15平方ミリメートルに相当するのに対し、直径100ミクロンの従来の単一レーザーのスポット面積はわずか0.0078平方ミリメートルで、その差は1,000倍近くあります。つまり、溶融効率は単一レーザーシステムの最大1,000倍を達成できることになります。
レーザー印刷の精度と解像度に関して言えば、Seurat の精度は従来の単一レーザーの 10 倍に達します。

この記事で言及されているGEのスポット溶融印刷技術は、エネルギー源をレーザーから電子ビームに変更しており、使用される投影方法はSeuratと同じです。 Antarctic Bear は、ここで言及されているポイントレーザーはパルスレーザーモードであるはずであると推測しており、従来の連続レーザーモードと比較して、独自の長所と短所があります。
従来の SLM 技術のほとんどは、一定の出力でレーザーを出力し、レーザーエネルギーを途切れることなく供給する連続レーザーである連続レーザーモードを採用しています。連続レーザーは一定のエネルギー入力を提供できるため、大面積の構造を素早く印刷し、全体的な印刷効率を向上させるのに適しています。さらに、エネルギー入力が継続的かつ安定しているため、CW レーザーは印刷プロセス中に安定した熱入力を維持でき、印刷された部品の均一性と一貫性を確保するのに役立ちます。パルスレーザーと比較すると、連続レーザーは一般に設計と製造が安価で、より経済的です。しかし、長時間の熱入力により、連続レーザーでは材料の周囲に大きな熱影響部が形成されやすく、変形や残留応力が生じる可能性があります。熱入力が高くなると、印刷された部品の詳細な解像度も低下し、超微細構造の製造には適さなくなります。
対応するパルスレーザーは、非常に高い出力で短時間の光パルスを出力します。各パルスは通常、ナノ秒からフェムト秒まで続きます。パルスレーザーエネルギーは集中して非常に短い時間内に放出され、通常はより高いピークパワーを実現します。パルスレーザーは非常に微細な加工が可能で、小さく複雑な構造物の製造に適しています。パルス時間が短いため、熱影響部を縮小して、材料の過度の溶融や熱変形を防ぐことができます。パルスレーザーは、ピーク出力が高く、パルス時間が短いため、より高い解像度を生成でき、高精度が求められるアプリケーションに適しています。ただし、パルスモードの特性により、パルスレーザーでは通常、同じ領域をカバーするのに時間がかかり、全体的な印刷速度が低下します。高い印刷効率を達成するには、レーザー投影方法とレーザーにさらなる変更を加え、より広い範囲のレーザー照射範囲を実現する必要があります。これは、Seurat レーザーシステムの核心でもあります。もちろん、これによりレーザーの製造コストとメンテナンスコストが増加し、機器の複雑さとコストも増加します。
まとめると、点状パルスレーザーは、特に熱に敏感な材料を加工する場合など、高精度、高解像度の微細加工アプリケーションに適していますが、印刷速度が遅く、設備コストが高くなります。連続レーザーは、大面積の迅速な製造アプリケーションに適しており、効率と安定性が高くなりますが、詳細と熱管理の点ではパルスレーザーほど優れていない可能性があります。
Spectra M 電子ビーム融合 (EB-PBF) プリンター<br /> 仕様：

技術原理: 電子ビームによる金属の溶解 (EB-PBF)
造形体積: Ø270 x 430 mm。
ビーム出力: 4.5kW
材質: Ti6Al4V グレード 5 および Ti6Al4V グレード 23

新しい Spectra M プリンターの発売により、Colibrium Additive の電子ビーム融合 (EB-PBF) プリンターのラインナップが拡大します。このラインナップには、すでに Q10plus、SpectraL、Spectra H の 3 つの EMB マシンが含まれています。このマシンは現在注文可能で、最初の納品は 2025 年第 1 四半期初めに予定されており、電子ビーム溶融技術の設計の自由度と生産性の利点を維持しながら、より小さなビルドボリュームの EB-PBF プリンターのニーズに対応します。
Spectra M は、特に医療および整形外科インプラント業界の添加剤メーカーの特定のニーズを満たすために開発されました。 Spectra M の造形体積が小さいため、1 個あたりのコストと全体的な生産コストの両方を削減するソリューションが提供されます。 Spectra M バージョンは、Q10plus よりもマシンサイズが大きく、造形体積は Ø270 x 430 mm、ビーム出力は 4.5 kW で、Ti6Al4V グレード 5 や Ti6Al4V グレード 23 などの材料をサポートしています。コリブリウム社は、これにより整形外科用インプラントをよりコスト効率よく生産できるようになると述べている。 M バージョンと Q10plus の違いは、M にはまったく新しい円筒形のビルドチャンバーがあり、より強力な電子ビーム (4.5 kW 対 3 kW) が搭載されていることです。 Ti6Al4V グレード 5 および 23 材料を処理するように設計された SpectraM は、その「兄貴分」である Spectra L と同様に、4.5 kW の電子ビームも装備しています。

Colibrium Additive のシニアプロダクトマネージャーである Oscar Angervall 氏は、開発プロセスにおける顧客からのフィードバックの重要性を強調し、次のように述べています。「豊富な経験と長期にわたる実績を持つ最大のユーザーベースを持つことで、当社は貴重な洞察力を得ることができ、製品ポートフォリオを継続的に進化させ、顧客が積層造形事業を拡大し続ける中で、特定のニーズを満たす EB-PBF 技術を提供するのに役立っています。Spectra M は、当社の顧客、特に整形外科インプラント業界の積層造形ユーザーとの継続的な対話に直接応えたものです。」

粗粒Ti64粉末材料向けL-PBFアプリケーションソリューション<br /> さらに、GE エアロスペースの金属粉末会社AP&Cは、部品コストを削減するように設計された粗い Ti64 粉末ソリューションを導入しました。この材料は、 15～45 μm および 15～53 μm の範囲のより大きな粒子サイズで提供され、レーザー粉末床溶融結合 (L-PBF) に従来使用されていた微粉末と比較すると、一般に粗い粒子であると考えられています。これらの粒子はサイズが大きいにもかかわらず、高い品質基準を維持しており、航空宇宙および整形外科分野の重要な用途に適しています。 Colibrium Additive の M2 Laser PBF プラットフォームでの使用が検証されたこの新しい粉末は、微粉末と同じ品質を持ちながら粒子サイズが大きいため、コスト効率が高く、安全性も向上しています。粗 Ti64 粉末は反応性が低いため、汚染のリスクが低減し、材料の再利用性が向上します。
粗い Ti64 粉末ソリューションは、高品質の生産基準を維持しながら、付加製造のコストを削減する上で大きな前進となります。この革新は、よりコスト効率の高い粉末を求める業界の需要と、付加製造による環境への影響を最小限に抑える取り組みに応えます。
GEエアロスペースはまた、シリーズ3の金属バインダージェットシステムを商品化したと発表した。この巨大企業はバインダージェッティングソリューションの開発に多大なリソースを投入してきましたが、RAPID+TCT での Colibrium の発表は、GE の Additive Manufacturing 部門が製品ライン全体で継続的に進歩していることを反映しています。バインダージェッティングは、急成長する市場に参入するために明らかに重要です。
Colibrium Additive の最近のマイルストーン<br /> 戦略的再編の一環として、Colibrium Additive は GE Additive から社名を変更し、現在は GE Aerospace の一部となっています。この移行には、Concept Laser および Arcam EBM ブランドの段階的な廃止と、AP&C のブランドを GE Aerospace のイメージとより一致するように更新することが含まれます。
新しい名前 Colibrium Additive は、「collaborative」と「equilibrium」の融合から生まれました。同社は2016年にコンセプト・レーザー社とアルカム社を買収して設立され、社名変更は同社の積層造形能力を航空宇宙分野における1つのまとまりのあるブランドの下に統合することを目的としています。
一方、コリブリウム・アディティブ社は、シンシナティ動物園の11歳のゴリラ、グラディスの上腕骨骨折の治療のため、特殊な3Dプリントチタン鋳型を作成した。この高度なギプスは、グラディスの自然な動きに耐え、さらなる怪我を防ぐために慎重に設計されており、ゴリラ特有の治療上の課題に対応するように調整されています。動物園関係者によると、コリブリウム・アディティブ社の迅速な生産ターンアラウンドは、厳密な医療要件を満たす上での同製品の有効性を浮き彫りにしているという。