電子ビーム金属3Dプリントは国内代替と超越を達成し、今後の発展に大きな可能性を秘めている。南極熊が西安サイロンを訪問

はじめに：近年、中国の金属レーザー3Dプリント技術は隆盛を極めており、Polylite、Farsoon High-Tech、Yijia 3Dなどの大手企業が急速に成長しています。電子ビーム金属3Dプリントの分野では、西北非鉄金属研究所が育成・管理する国産の有力メーカー、西安サイロンアディティブテクノロジー株式会社もあります。

2024年2月、南極熊は西安サイロンを訪問した。サイロンの技術はこれまで何度も注目していたが、工場訪問は南極熊にとって衝撃的だった。西安サイロンは長年にわたり金属3Dプリントの分野に深く携わっており、2つのコア技術で業界の最前線に立っています。1つは電子ビーム選択領域溶解（SEBM）技術と設備であり、もう1つはプラズマ回転電極噴霧粉末製造（PREP）技術と設備です。また、複雑な金属部品の3Dプリントに関する研究開発、生産、販売、技術サービスなどのサービスも提供しています。

自社開発の電子銃、電子ビーム選択溶解装置に深く携わる

レーザーを熱源とするほとんどの金属3Dプリントメーカーとは異なり、西安サイロンは電子ビーム金属3Dプリント技術に深く関わってきました。中国で最も早く商用SEBM装置を開発した企業の1つとして、西安サイロンは2015年に中国初の商用SEBM装置を発売し、複数のユニットを販売しました。 2023年、西安サイロンは電子銃の精度、コスト、寿命のボトルネックに対応して、業界で唯一の高精度、高出力、長寿命、低コストの間接加熱電子銃を開発し、コアコンポーネントの独立制御を実現しました。電子銃の最大出力は10kWに達し、広い小麦粉ベッドを1100℃以上に素早く予熱し、印刷効率を大幅に向上させます。陰極の断面特性を変更することで、高出力時のビームスポット径を制御でき、100μm未満のビームスポット径を広範囲で正確にスキャンできるため、部品の高精度製造要件を満たします。電子銃の陰極アセンブリ全体の耐用年数は500時間以上で、直熱LaB6陰極の実際の使用時間に相当し、大型部品や長期積み重ね印刷の製造ニーズを満たします。電子銃の陰極と補助陰極はどちらもタングステン製で、耐久性に優れ、直熱LaB6陰極の30%未満のコストで、バッチ部品の低コスト生産ニーズを満たします。

同時に、さまざまな応用シナリオに対応するため、西安はさまざまな出力の熱電子銃を備えた一連のSEBM装置を発売しました。この装置には、チタン合金、高融点金属および合金、TiAl およびその他の脆性および加工困難な材料、銅および銅合金、ジルコニウムおよびジルコニウム合金、ニッケル基高温合金、セラミック/金属複合材料など、さまざまな材料処理パッケージが装備されています。

●Y150 Plus、電子銃出力3kW、成形精度±0.1mm、成形サイズ170×170×180mm。

●T200、電子銃出力6kW、成形精度±0.2mm、成形サイズ200×200×450mm。

●H400、電子銃出力10kW、成形精度±0.3mm、成形サイズ400×400×400mm。

△ 西安セイルンシリーズSEBM装置
医療、自動車、航空の3つの主要アプリケーション分野に注力

西安サイロンは、独自の知的財産権を持つSEBM設備を使用して、医療、自動車、航空の3つの主要な応用シナリオを作成しました。特に医療と自動車の分野では、SEBM整形外科インプラントと純銅誘導コイルが多くの下流企業で大量生産されています。 2023年、西安サイロンの「標準化された骨梁寛骨臼カップの大量付加製造」と「自動車用純銅高周波誘導コイルの大量生産」が工業情報化部の付加製造の典型的な応用シナリオリストに選ばれました。アンタークティック・ベアは、西安サイロンが50台以上のSEBM設備を備えた3Dプリントセンターを設立し、顧客に複雑な金属部品の一括製造サービスを提供していることを現場で確認した。

医療分野において、SEBM 技術は生産効率が高く、生産コストが低く、真空環境の清浄度が高く、熱処理やワイヤー切断が不要などの利点があります。西安サイロンは、独自の知的財産権を持つ設備とプロセスを頼りに、年間生産能力10万個のSEBM整形外科インプラント生産ラインを確立しました。主に医療機器会社にカスタマイズおよび標準化された整形外科インプラントブランクを提供しています。製品には寛骨臼カップ、膝プロテーゼ、椎間固定装置が含まれ、使用される材料にはチタン合金、タンタル、ジルコニウムニオブ合金などがあります。 Antarctic Bearによると、生産サイクルが大幅に短縮されたことに加え、SEBMの量産後は、整形外科用インプラントブランクの製造コストが従来の機械加工+スプレー方式よりも低くなります。

△シアロンSEBM整形インプラント生産ラインまた、同社の原材料、設備、技術の優位性を活かし、西安シアロンは武漢ミンドレイテクノロジー株式会社のチタン合金製寛骨臼カップシステムが2023年7月に国家食品医薬品局から発行されるクラスIII医療機器登録証明書を取得することに成功しました（登録証明書番号：国家医療機器登録20233131002）。電子ビーム3Dプリント寛骨臼カップの気孔構造は、100％の立体接続性、高多孔性、高摩擦係数、低粉末残留などの特徴を備え、優れた骨の成長効果があり、インプラント後の人工関節の初期安定性を保証します。プロジェクトの開始から認証まで、プロジェクトはわずか2年しかかかりませんでした。この製品は、国内初の国産電子ビーム3Dプリント設備＋全工程国産粉末を使用し、クラスIII医療機器登録証を取得した整形外科用インプラント補綴物であり、国産電子ビーム3Dプリント整形外科用インプラントが、独立した制御可能で革新的な研究開発および生産システムを確立したことを示しています。西安サイロンの担当者は、同社はミンドレイに加え、SEBM整形外科インプラントの登録および認証業務において多くの医療機器企業を支援したと述べた。

△Mindray Orthopedicsが承認したSEBMチタン合金寛骨臼カップシステム△Sialon T200装置は、一度に288個の寛骨臼カップを印刷できます。自動車分野では、自動車部品の誘導加熱の技術的ニーズに応えて、西安Sialonは純銅といくつかのグレードの銅合金の成形プロセスパッケージを開発し、さまざまな仕様の電子ビーム3Dプリント純銅誘導コイルを開発しました。旋削、フライス加工、穴あけ、研削、溶接に依存する従来の誘導コイル成形方法と比較して、電子ビーム 3D プリント純銅誘導コイルには、高密度 (>99.8%)、長寿命 (従来のプロセスの 2 ～ 3 倍)、優れた導電性 (導電性 98% IACS)、短い製造サイクル (単一部品は従来のプロセスの 1/7)、優れた硬化効果などの利点があります。

アンタークティックベアは、西安サイロンSEBM技術によって印刷された純銅誘導コイルが、国内大手自動車部品メーカー20社以上の生産ラインで検証・適用され、優れたユーザー成果を上げていることを知りました。

△純銅誘導コイルの電子ビーム3Dプリント航空宇宙分野では、エンジンチタンアルミブレードの製造ニーズに応えて、西安サイロンはT200モデルを特別に開発しました。印刷高さ450mmで、2層の金属ブレードを積み重ねることができます。西安サイロンの担当者は、チタンアルミニウム材料をSLM技術で印刷すると、応力が非常に大きくなり、変形したり割れたりしやすいと述べた。しかし、SEBM技術で印刷すると、予熱温度が数千度に達することもあり、応力を効果的に軽減し、ブレードの安定的かつ効率的な成形を確保できる。さらに、薄肉部品、複雑構造、軽量・軽量化構造、構造機能一体型部品の迅速な設計・製造においても多数の応用が実現しています。

△航空エンジン用チタンアルミブレードの電子ビーム3Dプリント、一度に24個をプリント可能
微粉回収率が70％を超えるプラズマ回転電極微粒化製粉技術

数年前、西安サイロンは経済技術開発区の渭河南岸に新たな土地を購入し、現在ではオフィスビル1棟と工場ビル2棟を建設し、その一部は稼働している。新しい工場では、アンタークティックベアはプラズマ回転電極噴霧粉末製造 (PREP) 装置が並んで生産に忙しく働いているのを目にしました。

真空空気噴霧粉末製造装置とは異なり、プラズマ回転電極噴霧粉末製造装置はサイズが大きくありません。その粉末製造原理は、プラズマがアークを発して高速回転電極棒の先端を溶かし、電極棒の高速回転によって発生する遠心力を利用して溶融金属を微細な液滴に噴霧することです。噴霧された金属液滴は、大気との熱交換後に球状の粉末に凝縮します。

担当者はAntarctic Bearに対し、西安サイロンは現在、科学研究用のデスクトップ型粉末製造装置SLPA-Dや新世代の工業用粉末製造装置SLPA-Nなど、超高速プラズマ回転電極霧化粉末製造装置を業界に提供していると語った。最近、同社の卓上フライス盤設備が初めて海外市場に進出し、海外企業での設置、トレーニング、試作を完了し、無事に顧客に納品されました。

△西安賽龍卓上型PREP製粉設備の海外顧客への納入場所△西安賽龍プラズマ回転電極霧化製粉設備
SLPA-D デスクトップ粉末製造装置は、大学や研究機関における多品種球状金属粉末の小ロットの迅速な研究開発に適しています。電極棒の動作速度は約 50,000rpm で、チタン合金、アルミニウム合金、高温合金、高エントロピー合金、耐火合金、銅合金など、数百種類の新材料グレードの粉末の迅速な研究開発と小ロット生産を実現できます。

SLPA-N 工業用粉末製造装置は、ニッケル基高温合金や高強度鋼などの微粉末 (15 ～ 53 μm) のバッチ生産に適しています。高速とバッチ生産の利点を組み合わせ、24000〜30000rpmの速度で直径50mmと75mmの電極棒を連続的に安定的に生産し、微粉回収率は70％以上を実現し、高エネルギー密度と高品質の粉末という特徴を備えています。

△PREP球状金属粉末の表面形態（左：IN718粉末、右：Ta粉末）
終わり

西安サイロンの現地訪問中、南極熊は頭の中にあった多くの疑問にも答えてくれました。一般的に輸入されたレーザーや検流計を使用するSLM設備とは異なり、EBM設備メーカーは電子銃のコア部品を独自に習得する必要があり、そのためより多くの課題に直面しています。 SLM 技術がメートルレベルのサイズとマルチレーザー戦略に向けて発展するにつれて、Sailon は単一電子銃ソリューションの研究を深めたいと考えています。次のステップは、単一電子銃で 650mm の成形サイズを実現できる装置を開発することです。

電子ビーム金属3Dプリントは国内代替と超越を達成し、今後の発展に大きな可能性を秘めている。南極熊が西安サイロンを訪問

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