EBM電子ビーム溶解：高エネルギー電子ビームの仕組み

この投稿は Little Raccoon によって 2017-4-26 17:34 に最後に編集されました。

本日ご紹介するのは、EBM テクノロジーです。 EBM テクノロジーは、スウェーデンの企業 Arcam によって初めて開発され、特許を取得しました。 Arcam は 1997 年に設立され、EBM 機器の研究、開発、製造に注力しています。現在、50 件を超える関連特許を保有し、世界中に 200 セットを超える機器が設置されています。清華大学は中国で初めてEBM装置の研究開発を行い、粉末敷設、電子ビーム精密スキャン、成形制御などの主要技術を習得し、多数の試作品を独自に開発し、多くの企業や機関によって検証され、現在は智樹科技を通じて商品化されています。
EBMの原則 電子ビーム溶解法（EBM）は、スウェーデンの企業 Arcam によって初めて開発され、特許を取得した金属付加製造技術です。 EBM の動作原理は SLM の動作原理と似ており、金属粉末を完全に溶かしてから成形します。主な違いは、SLM 技術ではレーザーを使用して金属粉末を溶融するのに対し、EBM 技術では高エネルギー電子ビームを使用して金属粉末を溶融することです。
高エネルギー電子ビームによる金属粉末の溶解
EBM 技術で印刷する前に、粉末の層を敷いた後、電子ビームが粉末の層を複数回素早くスキャンして予熱し、粉末が溶けることなくわずかに焼結した状態になるようにします。これは EBM テクノロジー特有のステップです。 SLM は最高 300°C まで予熱できますが、EBM 技術では電子ビームスキャンを使用して金属粉末の各層を予熱し、600 ～ 1200°C の範囲で部品を加工および形成できます。下の写真は電子ビームの予熱プロセスを示しています。電子ビームは高速でジャンプするため、粉末床を加熱する複数のスキャンラインがあるように見えます。
EBM の電子ビーム予熱プロセスの具体的な印刷プロセスは、コンピューターがオブジェクトの 3D データを断面の層の 2D データに変換し、それをプリンターに送信することです。プリンターは、敷かれた粉末の上にある粉末に選択的に電子ビームを放射します。電子の運動エネルギーは熱エネルギーに変換されます。選択された領域の金属粉末は完全に溶融するまで加熱され、その後、現在の層に形成されます。次にピストンが作業台を 1 単位下げ、現在の焼結層の上に新しい粉末層を敷きます。装置は新しい層の断面データを呼び出して処理し、前の層の断面に結合します。このプロセスは、オブジェクト全体が形成されるまで層ごとに繰り返されます。
EBM装置構造図（画像提供：華南理工大学）
部品製造のEBMプロセスは、高真空環境で実行する必要があります。一方では、電子の散乱を防ぐためです。他方では、一部の金属（チタンなど）は高温条件下で非常に活性になるため、真空環境は金属の酸化を防ぐことができます。
EBMとSLMの比較
SLM 装置と EBM 装置はどちらも高エネルギービームを熱源として使用し、CAD 積層データに従って粉末ベッド上の金属粉末を選択的にスキャンして溶かし、層を積み重ねて金属部品を形成します。両者の間には主に 3 つの違いがあります。
1. 熱源が異なります。SLM は熱源としてレーザーを使用しますが、EBM は熱源として電子ビームを使用します。2. 成形作業環境が異なります。SLM 技術は不活性ガス条件下で溶融および成形しますが、EBM 技術は真空条件下で溶融および成形します。3. 成形作業熱温度が異なります。 SLM は最高 300°C まで予熱できますが、EBM 技術では電子ビームスキャンを使用して金属粉末の各層を予熱し、600 ～ 1200°C の範囲内で部品を加工および成形できます。4. 粉体コーティングの厚さが異なります。 EBM粉末層の厚さは50〜150umです。粉末が厚いほど、部品をより短時間で製造できるため、効率が高くなります。一般的に、EBM の効率は SLM の 3 倍です。 5. 粉末の粒子サイズが異なります。 EBM 粉末の粒子サイズは比較的粗く、45 ～ 105 um の範囲です。 SLM プロセスでは、粉末が粗すぎると溶融しない可能性があります。粉末の粒子サイズが細かくなるほど価格が高くなるため、EBM消耗品の方が経済的です。
EBM の利点と技術的制限
EBM の利点: 1. 電子ビームのエネルギー変換効率は非常に高く、レーザーよりもはるかに高いため、エネルギー密度が高く、粉末材料がより速く溶け、成形速度を速くしてエネルギーを節約できます。 2. 高いエネルギー密度により、融点が 3400 度までの金属を溶かすことができます。 3. 電子ビームのスキャン速度はレーザーよりもはるかに高いため、成形プロセス中に、電子ビームを使用して金属粉末の各層をスキャンおよび予熱し、粉末の温度を上げることができます。予熱された粉末は成形後の残留応力が少なく、熱処理を必要とせずに特定の形状を製造できるという利点があります。
EBM 技術の制限: 1. 電子ビームで予熱した後、金属粉末はわずかに焼結します。製造後、EBM の未成形粉末はサンドブラストなどのプロセスで除去する必要があります。複雑な形状の内部は除去が困難です。2. 真空作業環境を作成するために追加のシステム機器が必要なので、機器が比較的大きくなります。3. EBM 技術で形成された部品の表面粗さは、SLM 技術よりも大きくなります。
EBM アプリケーションEBM は、モデルやプロトタイプの製造、および複雑な形状の金属部品の小ロット生産に使用できます。 EBM技術は、航空宇宙・産業分野における軽量全体構造や高性能複合部品（着陸装置部品やロケットエンジン部品など）の製造、医療分野における多孔質構造整形外科インプラントの製造など、幅広く活用されています。
整形外科におけるEBM技術の応用（画像提供：Arcam）
EBMの応用事例（写真提供：Antarctic Bear）
EBM は、航空機エンジンで一般的に使用される高温合金など、従来の加工方法では製造が難しい金属材料も製造できます。 EBM 技術を使用して製造された TiAl ベースの合金ブレード (画像提供: Arcam)
EBM 社製の多孔質表面を持つ寛骨臼カップ (画像提供: ARCAM)
EBM 材料EBM 材料は、一般的に、現在主流の Ti6Al4V、コバルトクロム合金、高温銅合金などの多金属混合粉末合金材料です。これらの材料には、高温銅合金の高い相対強度、高熱流束用途での使用の可能性、優れた高温強度、優れた熱伝導性、良好なクリープ耐性など、独自のユニークな特性があります。
商業的に使用されている EBM 材料には、CoCrMo 合金、純銅、純鉄、316L ステンレス鋼、H13 工具鋼、金属ニオブ、ニッケル基合金、純チタン、チタン合金、TiAl 基合金などがあります。 EBM 技術に使用される金属粉末 (画像提供: Antarctic Bear)

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