【分析】電子ビーム焼結ラピッドプロトタイピング技術

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-9-27 10:58 に最後に編集されました。

ラピッドプロトタイピング技術は、「離散/蓄積」の原理に基づいて急速に発展し、CAD、数値制御技術、高エネルギービーム、新素材などの複数の技術を基盤とする新興の高度な製造技術です。その出現は近年の製造技術分野における大きな進歩とみなされており、製造業への影響は CNC 技術の出現に匹敵します。コンピュータ上の「目に見えるが無形」な設計アイデア製品を、「目に見える有形」な製品プロトタイプや特定の機能を備えた直接製造された部品に、自動的、直接的、迅速かつ正確に変換できます。同時に、「階層化製造」の考え方に基づいて開発された製造技術でもあり、自動車、エレクトロニクス、国防・軍事、航空宇宙、医療などの分野で応用され成功を収めています。

1.3Dプリント技術 現在、数十種類のプロセスが登場しており、その中で一般的な処理方法としては、ステレオリソグラフィー（SLA）、レイヤーアンドエンティティ製造（LOM）、選択的レーザー焼結（SLS）、熱溶解積層法（FDM）、3次元スプレーボンディング（3DPG）、溶接成形（Welding Forming）などがあります。これらの方法にはそれぞれ独自の特徴と利点があります。これらの技術は過去 10 年間で国内外で一定の発展を遂げ、21 世紀の製造業において重要な位置を占めるようになります。

2 電子ビームラピッドプロトタイピング技術の利点 現在、金属部品の急速製造プロセスのほとんどは、ガス保護下でレーザーを使用して金属粉末を焼結または溶解しています。金属材料を加工する手段として、レーザー技術は比較的成熟しており、制御可能で、数値制御の実装が容易で、材料の「離散/積層」をよりよく実現できます。成形レーザー焼結は、小さな出力範囲で使用する場合は比較的経済的ですが、タングステン、チタン、高温合金などの特殊性能金属材料の主要部品を焼結または溶解する場合は、強度が不十分であるという欠点があります。電子ビーム加工法は、高エネルギービーム加工法の一種で、高エネルギー電子ビームを加工熱源として利用し、磁気偏向コイルを操作することで成形加工を行います。これは金属部品のラピッドプロトタイピングの分野に適用されており、次のような一連の独自の利点が示されています。

1) 高い電力とエネルギー利用
電子ビームは数キロワットの出力を簡単に達成できますが、レーザーの一般的な出力は 1 kW から 5 kW の間です。電子ビーム加工の最大出力はレーザーの数倍に達し、連続熱源出力密度はレーザーよりもはるかに高く、1×107 W/mm2に達します。同時に、レーザーのエネルギー利用率が15％であるのに対し、電子ビームのエネルギー利用率ははるかに高く、75％に達します。
2) フォーカスが合わせやすい 理論的には、レーザーのスポット径は 1 nm に達することができますが、これは通常、実際のアプリケーションでは達成されません。電子ビームは集束レンズの電流を調整することで集束でき、ビーム径は0.1nmに達することができます。これにより、非常に細かいフォーカスが可能になります。加工された製品は粒子サイズが大きく、純度が高く、性能が優れています。

3) 加工可能な材料の多様性 ほとんどの金属はレーザーの反射率が高く、融解潜熱も高いため、溶けにくいです。さらに、溶融物が溶融池を形成すると、反射率が急激に低下し、溶融池の温度が急上昇して材料が蒸発します。電子ビームは加工材料の反射の影響を受けず、レーザーでは加工が難しい材料も容易に加工できます。高真空作業環境により、液相焼結または溶融プロセス中に金属粉末が酸化されるのを防ぐことができます。これはチタンおよびチタン合金の加工に特に役立ちます。
4) 成形速度が速く、運転コストが低い 電子ビーム装置は、最大20kHzの走査周波数で2次元走査を行うことができ、機械的な慣性がないため、高速走査を実現できます。また、レーザーとは異なり、N2、CO2、H2などのガスを消費しないため、比較的安価です。フィラメントの消費量はわずかです。

上記から、レーザー加工と比較して、電子ビーム加工はエネルギー利用率が高く、適用可能な材料の範囲が広く、汚染のない真空環境であり、成形速度が速いなどの利点があることがわかります。また、近年では、電子ビームは金属溶接、電子ビーム蒸着コーティング、電子ビーム溶融、電子ビーム表面処理、電子ビーム穴あけ、電子ビーム粉末製造、電子ビーム消毒・殺菌、電子ビーム顕微鏡技術などの分野でも継続的に開発されており、その応用分野も拡大し続けています。現在も多くの研究が進行中であり、電子ビーム技術を産業界に応用する大きな可能性を秘めています。つまり、電子ビーム技術は21世紀のグリーン製造の目的に合致しており、より多くの注目と研究を受けており、金属部品の急速製造技術分野で電子ビームが主導的な地位を占めることが予測されます。

3. 電子ビームラピッドプロトタイピング技術用装置
典型的な電子ビームラピッドプロトタイピング装置は通常、電子銃、作業室（真空チャンバーとも呼ばれる）、真空システム、電源、電気制御システムの 5 つのサブシステムで構成されます。電子銃は、焼結装置内で電子を生成および制御するために使用される光学系の総称です。現在では3段電子銃が一般的に使用されており、その電極システムはカソード、バイアス電極、アノードで構成されています。陰極は高い負電位にあり、陰極と接地された陽極の間に電子ビームの加速電界が形成されます。バイアス電極は、陰極に対する負電位の大きさを調整し、バイアス電極の形状と位置を変更することで、電子ビーム電流の大きさを調整し、電子ビームの形状を変更することができます。カソードの形状とバイアス電極に対する相対位置は、電子ビームのスポット位置に影響を与える重要な要素です。

スタジオは主に低炭素鋼板で作られており、電子ビームの軌道に対する外部磁場の干渉を遮断します。作業室の表面は通常ニッケルメッキまたはその他の処理が施されており、ガス、飛沫、油汚れの表面吸着を減らし、真空引きの時間を短縮し、作業室の清掃を容易にします。目的と処理対象部品に応じて形状を決定する必要があります。真空システムは、電子銃室と作業室を真空にするために使用されます。システムでは主に2種類の真空ポンプが使用されます。1つはピストンまたはベーン機械式ポンプで、低真空ポンプとも呼ばれ、電子銃室と作業室を大気圧から約10 Paの圧力まで真空にするために使用されます。速度を上げ、作業室の圧力を 1 Pa 未満に下げるには、ツインローター真空ポンプ (ルーツポンプとも呼ばれる) と組み合わせて使用する必要があります。もう 1 つはオイル拡散ポンプで、電子銃室と作業室の圧力を 10-2 Pa 未満に下げるために使用されます。電源システムには、高電圧電源、カソード加熱電源、バイアス電源が含まれます。制御システムとは、作業台、固定具、ターンテーブルなどの補助設備を指します。

国際的には、スウェーデンや米国などの国が電子ビームラピッドプロトタイピング分野の設備を有しており、最も先進的な設備はスウェーデンのArcam AB社によって開発・製造されています。 Arcam EBM S12 装置の技術的パラメータは次のとおりです。成形スペース: 250 mm×250 mm×200 mm (長さ×幅×高さ、以下同じ)。最大成形サイズ: 200 mm×200 mm×160 mm。精度: ±0.4 mm。溶融速度: 0.3 m/s~0.5 m/s (材料によって異なります)。層の厚さ: 0.05 mm~0.2 mm (材料によって異なります)。電子ビームのスキャン速度: 20 m/s 未満。電子ビームの位置決め精度: ±0.05 mm。電源: 3×400 V、32 A、7 kW。装置のサイズと重量: 1800 mm×900 mm×2200 mm、1350 kg。コンピューター: PC、Windows2000、XP Professional。CAD 形式: STL。ネットワーク: Ethernet 10/100。認証: 欧州 CE。中国においてこの点で比較的成功している研究機関としては、清華大学機械学部ラピッドプロトタイピングセンターが独自に開発した「電子ビーム選択同期焼結プロセスおよび三次元積層製造装置」がある。

4 電子ビームラピッドプロトタイピング技術の現状 電子ビーム焼結ラピッドプロトタイピング技術は、プロトタイピング技術と高出力電子ビームの活発な発展に基づいて出現し、急速に発展した新しい高度な製造技術です。この技術は、ラピッドプロトタイピング技術の「離散・蓄積」という積層造形の概念を応用したもので、徐々に新しい生産方法になりつつあります。電子ビームクラッディング/焼結技術は国内外で始まったばかりで、現在のラピッドマニュファクチャリング技術研究のホットスポットであり、電子ビーム焼結技術開発の最新動向でもあります。製品の3D CADモデルデータを使用して、高エネルギー密度の熱源である電子ビームを直接駆動し、材料の液滴ユニットをクラッディング/焼結によって組み立てることで、任意の形状や特殊特性を持つ材料や部品を直接かつ迅速に製造します。

部品の表面や局所領域のみで得られる優れた溶融構造を、多層クラッディングにより三次元固体部品全体に拡張します。これにより、高性能で複雑かつ高密度の金属部品、または最小限の後続処理のみを必要とするニアネットシェイプ部品を、ツールを使用せずに高速にニアネットシェイプ成形できるようになります。同時に、電子ビーム技術とラピッドプロトタイピング技術の特徴も十分に体現しています。高エネルギー電子ビームは加工範囲が広く、ビームスポット径が極めて小さい電子ビーム加工により精密な成形が可能になり、加工余裕と後処理工程が削減されます。電子ビーム技術が提供する真空環境により、電子の散乱が低減し、金属の酸化度が低減し、良好な熱バランスシステムが提供され、成形安定性が確保されます。ラピッドプロトタイピング技術の柔軟性の高い処理環境により、設計の柔軟性が向上します。CAD モデルファイルを変更することで、設計者は部品を便利かつ経済的に変更および補充できます。また、部品のさまざまな部分の構成を柔軟に変更して、部品に優れた総合性能を持たせることもできます。高価な金型を作成する必要はありません。生産サイクルが短く、効率が高い。

また、材料利用率が高く、余剰粉末を回収して再利用することも可能です。これらの特徴は、電子ビーム焼結高速製造技術が幅広い応用展望を持っていることを示しています。部品の直接製造に使用できるだけでなく、大型金属部品の修理にも使用できます。この技術は登場するや否や、先進国や我が国の先進製造技術の分野で研究のホットスポットとなりました。電子ビーム焼結による高速製造の原理を図 1 に示します。

図1 電子ビーム焼結高速製造の模式図（清華大学提供）
日本の大阪大学や韓国の浦項大学などの研究機関も、電子ビームを使用して卑金属の表面に金属粉末を被覆しており、英国のバーミンガム大学も電子ビームを使用した合金の精製と表面改質について多くの研究を行っています。電子ビーム焼結の実現可能性が実証されました。米国のマサチューセッツ工科大学は、電子ビームによるソリッドフリーフォーム製造技術EBSFF（Electron Beam Solid Freeform Fabrication）を提唱しました。EBSFFはレーザーニアネットシェイプ製造技術に似ています。電子ビームは固定されており、ワークベンチはコンピュータの制御下で幾何学的形状の各断面の座標データに従って移動します。同時に、加工される原材料（金属ワイヤ）はワイヤ供給機構を介して電子ビームによって溶解され、層ごとに積み重ねられ、最終製品が得られます。

NASA のラングレー研究センターは、2219Al 材料部品の製造用に、EBSFF に類似した電子ビームを使用しない高速製造技術 (EB F3) も開発しました。この技術も、金属ワイヤ原料を集束電子ビーム溶融池に送り込み、薄い組織層を一層ずつ溶かして蓄積し、期待される部品を得ます。上記電子ビームクラッディング/堆積製造技術の特徴は、電子ビームが比較的短時間（例えば1秒）内に成形領域全体の一部のみを加熱し、電子ビーム焦点または作業台が移動するにつれて、原材料が順次溶融/焼結され、成形領域に堆積されることである。

エネルギー密度と材料の焼結特性の制限により、材料の溶融/焼結堆積を1回のスキャンで完了するために、上記の積層製造プロセスでは、電子ビームのスキャン速度または作業台の移動速度が制限され、加熱はポイントごとまたはゾーンごとにしか実行できず、材料粉末または金属線はポイントごとまたはゾーンごとにしかクラッド/焼結できません。そのため、加熱の均一性が悪く、材料の加熱が不均一になるため焼結工程中に熱応力が生じやすくなります。加工が完了した後、部品に大きな残留応力が存在する場合、その精度と機械的特性に必然的に悪影響を及ぼします。特に、焼結中の熱応力により、ひどい場合には部品が変形する恐れがあります。また、上記製造工程では、原料として材料粉末またはワイヤを使用し、関連する粉末／ワイヤ供給装置が付随する。粉末を原料として使用する場合、真空システムの吸引・排気時に発生する気流と電子ビームの高速衝撃により、微細な粉末が吹き飛ばされたり、飛び散ったりすることがあります。粉末原料の飛散により、真空チャンバー内の可動部品が損傷する可能性があります。さらに、粉末/ワイヤ供給装置の存在により、真空成形チャンバーのサイズが必然的に制限され、設備コストに直接影響し、特大の成形部品の製造には不利です。

現在、主流となっている技術は、スウェーデンのArcam AB社が開発した電子ビーム溶融（EBM）技術です。EBMの動作原理は、選択的レーザー焼結と似ています。どちらもCADモデリングに基づいており、モデルは一定の厚さに応じてスライスされ、層状に積み重ねられます（つまり、製品の3次元情報が一連の2次元輪郭情報に離散化されます）。ただし、EBMは真空作業チャンバー内で電子ビームをエネルギー源として使用します。電子ビームは、2次元の断面データ情報によって駆動され、粉末平面上に広げられ圧縮された粉末原料を選択的に衝撃します。粉末原料は、電子ビームの衝撃下で一緒に溶融/焼結され、下の成形部品に結合され、層ごとに積み重ねられ、部品全体が焼結されるまで続きます。 ArcamはEBM技術を利用して、引張強度、降伏強度、弾性率などの特性が鍛造品より優れたTi6Al4およびH13工具鋼を生産しています。また、この技術をベースにArcam EBM S-12ラピッド製造装置も開発しました。この装置は、最大サイズ200 mm×200 mm×180 mm、精度±0.3 mmのラピッドプロトタイピング部品を生産できます。 EBM S-12急速製造装置及び立体製品の製造方法は、米国、中国等の国で特許を取得し、認可されています。

中国では、清華大学レーザーラピッドプロトタイピングセンターが国内の大手電子ビーム設備メーカーと連携し、広範囲な研究開発を行い、電子ビーム選択同期焼結プロセスと三次元積層製造装置を開発し、中国で特許を申請している。彼らが発明した三次元積層造形装置も原料として粉末材料を使用するが、電子ビーム走査制御装置により電子ビームを制御して図形投影の形で指定領域を高速に走査し、粉末を均一に加熱することができる。この装置の電子ビームは、選択した領域を毎回非常に短時間スキャンするため、スキャンの開始点の温度が大幅に変化するまで、成形領域全体がスキャンされます。1 フレーム以上のスキャンの後、成形領域内の材料は段階的に同期して加熱され、焼結または再溶融に必要な温度に達し、成形領域にまとめて堆積され、その後同期して冷却されます。

成形エリア全体の材料が同時に加熱、焼結、堆積、冷却されるため、発生する熱応力が大幅に低減され、部品成形の精度と品質が向上します。当センターでは、電子ビーム焼結法を用いて316Lステンレス鋼粉末の微細構造を生成しています（図2参照）。構造は細かく均一で、未溶融粒子は見当たりません。電子ビーム焼結高速製造技術を使用して SiCP/A1 複合材料を製造すると、従来の製造プロセスでセラミック粒子強化アルミニウムベース複合材料の適用を制限する問題 (酸化しやすい、強化粒子の分散が不均一、界面の結合が不良など) を解消し、任意の複雑な形状の構造部品を製造できます。清華大学の電子ビーム積層製造装置とプロセスは、既存の国際的な電子ビームクラッディング/焼結技術を明らかにさらに発展させたものです。

図2 電子ビーム焼結316L粉末の微細構造

5 主な問題 電子ビーム焼結によるラピッドプロトタイピング金属部品技術は、近年提案されたばかりの新しいトピックです。いくつかの開発と成果は達成されていますが、この技術が広く使用されるためには、いくつかの側面でさらに研究する必要があります。
1) 理論的研究をさらに深め、製造プロセスのモデルと3次元数値シミュレーションを確立する必要がある。
2) 粉末供給精度と流量をさらに向上させ、溶融池の制御を改善する必要がある。
3) プロセスパラメータや成形精度、成形欠陥の排除や抑制などの問題を解決するために、プロセス研究をさらに体系化する必要がある。
4) さまざまな状況で成形精度と成形速度を最適に一致させ、成形効率を向上させる方法を決定するには、多数の実験が必要です。
5) この技術に適した合金材料の開発と電子ビームクラッディングプロセスのリアルタイム観察技術の開発。

6 結論
電子ビーム焼結とラピッドマニュファクチャリング技術を組み合わせた金属部品のラピッドプロトタイピング技術は、電子ビーム真空処理環境、高エネルギー密度、高速スキャン速度などの利点を十分に活用できるだけでなく、ツールなしでのラピッドマニュファクチャリング、短い開発サイクル、低い製造コストなどの利点も十分に発揮します。また、電子ビーム溶解、粉末冶金、迅速製造などの多くのプロセスの利点を有機的に組み合わせており、自動車、航空宇宙、医療の分野で急速に開発され、応用されることは間違いありません。非常に幅広い応用の可能性を秘めています。しかし、この技術はまだ開発の初期段階にあり、基本的な問題に関する研究が現在の研究の焦点の 1 つとなっています。

編集者: Antarctic Bear 著者: Yang Xin、Tang Huiping、He Weiwei、Liu Hayan

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