電子ビーム溶融（EBM）金属3Dプリント：原理、利点と欠点、応用分野、メーカーと展望

電子ビーム溶融 (EBM) または電子ビーム粉末床溶融 (EB PBF) 3D 印刷技術では、高エネルギー電子ビームを使用して、銅やチタンなどの導電性金属粉末を層ごとに溶かします。結果として得られる部品は高密度と機械的強度を特徴とし、タービンブレードから股関節インプラントまであらゆるものに使用できます。

△電子ビームが複数の領域で純銅粉末を同時に溶解します（出典：GH Induction）

20 世紀後半に積層造形技術が導入されて以来、電子ビームは二次的な役割を果たしてきましたが、レーザー粉末床溶融結合法 (LPBF) は開発、成熟を続け、商業化されてきました。しかし現在では、電子ビーム溶解もその強力な能力により注目を集めています。積層造形シンクタンク兼コンサルティング会社であるAmpowerのマネージングパートナーであるマキシミリアン・ムンシュ氏は、次のように語っています。「過去2～3年で、6社以上の電子ビーム溶解メーカーがEB PBFマシン市場に参入し、業界に『新鮮な血液』を注入しました。電子ビーム溶解技術の利点を認識する人が増えています。電子ビーム溶解技術は、高温での材料処理など、一部の分野でLPBFよりも優れているため、新しいマシン、新しい材料、新しいプロセスの研究開発が促進されるでしょう。」

近年、小規模なスタートアップ企業から多国籍企業まで、かつてない数の企業が EBM 業界に参入し、シェア獲得を競い合っています。電子ビーム溶解技術を20年近く研究してきた老舗企業であるArcam AB（現GE Additive）は、10年足らずの間に登場した7つの新興企業と競争しなければなりません。これは急激な増加ではありませんが、この成長は明らかにこの技術に対する関心の高さを示しています。 Ampower は、今後数年間の EBM 競争環境の全体的な成長により、新しいアプリケーションが経済的かつ技術的に実現可能になり、粉末床溶融結合市場における EMB システムのシェアが増加すると予想しています。

材料開発専用に設計されたオープンソースシステムやマシンも増えています。現在の業界では、知識の創造と共有に対してよりオープンなアプローチを採用しており、これは EBM 市場をできるだけ早く成熟させ、その結果生じるビジネスチャンスから共同で利益を得るための戦略です。たとえば、Freemelt は材料開発システムを独占的に提供しており、Wayland Additive、QBeam、Xi’an Sailong Additive はカスタムメイドのオープンパウダー R&D マシンを提供しています。

現在のテクノロジー業界に革命を起こす可能性のある企業を 1 つ選ぶとしたら、それはWayland Additive 社と同社独自の NeuBeam テクノロジーでしょう。この英国の新興企業は、事前焼結を必要としない電荷中和技術を使用しており、これにより印刷プロセスが大幅に高速化され、粉末の凝集が排除されます。現在パイロットプロジェクトとしてインストールされている 2 台のマシンが期待どおりに動作する場合、EBM の機能と制限を完全に再定義する必要があります。

次に、Antarctic Bear が EBM の動作原理、利点と欠点、適用分野、メーカー、テクノロジーの将来など、EBM を再理解できるようご案内します。

仕組み

△EBMシステムとプロセスサイクルの概略図（出典：FAU）

電子ビーム粉末床溶融結合技術は、もともとスウェーデンのヨーテボリ大学で発明され、2013 年まで EBM マシンの唯一のサプライヤーであった Arcam AB によって商品化されました。 Arcam は 2016 年に GE Additive に買収されました。最も強力な競合相手である LPBF と同様に、このプロセスは金属粉末床溶融結合に分類されますが、LPBF とは異なり、EBM では粉末層を溶融するためにレーザーではなく電子ビームを使用します。

LPBF と比較すると、独自のプロセス特性がいくつかあります。たとえば、EBM は不活性ガス環境ではなく、ビームの散乱を防ぐために真空中で実行され、電子ビームのエネルギーが標準的な PBF レーザーよりもはるかに強力であるため、ビルドチャンバーの温度を 1,000 °C まで加熱できる「熱」プロセスとして分類できます。電磁ビーム制御を使用しているため、より高速で移動したり、分割して一度に複数の領域をカバーしたりすることもでき、実際の溶解プロセスを開始する前にビームで各層を「予熱」することができます。

印刷プロセス中、周囲の粉末が部品の周囲に「固まる」ため、理論的にはサポート構造が不要になり、EBM にはサポートがまったく必要ないという一般的な考えにつながっています。ただし、変形応力が大きいため、溶融材料から熱を放散したり、部品をビルドプラットフォームに接続したりするために、何らかのサポートが必要になります。現在、材料の選択肢は導電性金属と合金に限られており、最も一般的に使用されているのはチタン、アルミニウム、銅、ニッケル、鋼です。研究者たちはさらに多くの材料を開発しており、粉末の選択肢を広げるという戦略は、材料の研究開発専用に設計された機械が市場に数多く存在しているという事実にも反映されています。

EBM の主な利点の 1 つは、個々のコンポーネントを互いに「積み重ねる」ことができることです。機械のダウンタイムと後処理が減るため、生産性が大幅に向上します。最も成功した EBM アプリケーションの 1 つは、股関節置換術用のチタン寛骨臼カップの製造です。 Amplify Additive は、従来の製造方法に比べて市場投入までの時間を 58% 短縮することに成功し、レーザープリントでは一度に 12 個しか製造できなかったカップを 1 回で 54 個製造することに成功しました。

△パーツ積み重ね印刷。出典: Amplify Additive

ただし、この機能には欠点もあります。完成したビルドは、部品を取り外す前に完全に冷却する必要があります。部品の内部チャネルやその他の空洞は、粉末の「凝集」により洗浄が困難になり、レーザー PBF と比較して設計の自由度が制限されます。ブラスト処理により除去された未溶融粉末の回収率は95%～98%です。

電子ビーム粉末床溶融結合法の利点と欠点

△EBMで作られた自動車部品、印刷の代表的なサポート構造

EBM の利点:
● 高温、割れやすい、反射性の合金を扱える ● 部品の密度が高い ● 均一な微細構造と優れた機械的特性 ● 熱処理の必要性を最小限に抑える ● 未使用の粉末の 95～98% をリサイクル可能 ● 適切なアプリケーションを使用すれば LPBF よりも速く印刷できる ● LPBF に比べて必要なサポートが少ない

ただし、EBM にはいくつかの欠点もあります。
●印刷可能枚数に制限あり（最大600mm×600mm、高さ700mm）
● 材料の選択肢が限られている ● 機械と材料が高価 ● 後処理前の表面仕上げが悪い ● 内部のチャネルまたはキャビティに簡単にアクセスできる必要がある。そうでないと、後処理中に焼結粉末を取り除くことができない。
●SLMに比べて詳細解像度が低い。これは、電子ビームのサイズが大きいことと、EBMでは通常、より粗い粉末と厚い層が使用されるためです。●部品は分解前に冷却する必要があります。●電子ビームを生成するカソードは定期的に交換する必要があります。●真空を確立するには長い時間がかかります。

電子ビーム溶解アプリケーション

△ 処理準備が整った医療用インプラント（出典：FMI International）

医療分野<br /> 整形外科用インプラントなどの医療機器はますます複雑化していますが、EBM は医療業界の優れた機械的性能の要件を満たしながら、設計の自由度を高めます。寛骨臼カップに加えて、大腿骨膝関節部品、脛骨トレイ、膝関節、脊椎ケージなどの他の大型整形外科用インプラントも EBM マシンで製造されます。例えば、4WEB Medicalは、複数の設計を統合し、細胞と組織の機械的特性が発達、細胞分化、増殖、治癒を助けるというメカノバイオロジーの原理に基づいて機能するさまざまな脊椎トラスインプラントを製造しています。

△トラス構造のチタン製椎間固定装置は患者の治療結果を最適化することができます（出典：4WEB Medical）

航空宇宙産業<br /> 医療用インプラントに加えて、航空宇宙産業も電子ビーム溶解のもう一つの主要市場です。この技術を使用すると、さまざまな民間航空機、商用航空機、軍用航空機のジェットエンジンタービンブレードを大量生産できます。これらの 3D プリントブレードを搭載したジェットエンジンには、LEAP、GEnx、GE90、GE90 などがあります。このプロジェクトを担当する主要企業の一つは、Arcam および GE と協力するイタリアの Avio Aero です。

このブレードの成功の秘密は、EBM 社がチタンアルミナイド (TiAl) などの高温で割れやすい材料を処理できる能力にある。TiAl は、ブレードの製造に一般的に使用されるニッケル合金よりも 50 パーセント軽量である。完全な3Dプリントタービンはエンジンの重量を最大20パーセント削減することができ、航空業界にとって飛躍的な進歩となる。さらに、強力な電子ビームは、最大の競合相手であるレーザー粉末床溶融よりも厚い層を溶かすことができるため、この用途ではより高速で効率的なオプションとなります。

△ Arcam EBM マシンで製造された Avio Aero タービンブレードの完成品。

産業分野<br /> LPBF と比較した EBM の利点の 1 つは、多孔性や酸化のない純粋な金属を処理できることです。誘導加熱用電解銅管メーカーであるGH Inductionは、この利点を活かして純度99.99%の銅コイルを製造しています。 3D インダクタ製品ラインにちなんで名付けられたこれらのコイルは、3D プリントによって実現される設計の自由度を活用しながら、従来のコイルよりも 400% 長い耐用年数を備えています。同社によれば、これはZ高さ350mmのカスタムArcamシステムで構築された、最大の3Dプリント銅コイルの記録を保持しているという。 1 つのビルドエンベロープ内で部品を積み重ねることは、EBM のもう 1 つの独自のプロセス機能であり、GH Induction が製造生産性をさらに最適化するのに役立ちます。 GH Induction 社は、あらゆる形状のコイルを製造でき、さらに付加製造と従来の部品を組み合わせて、より費用対効果の高い処理ソリューションを実現できると述べています。使用例には、クランクシャフト、ハブ、メインシャフト、ドライブトレイン、旋回ベアリングなどの熱処理用コイルが含まれます。

△カスタム Arcam システム上に構築された最大の 3D プリント銅コイル (出典: GH Induction)

電子ビーム溶融3Dプリンター

GEアディティブ（アーカム）

△GE最大のEBMマシン「Arcam Spectra L」

アメリカの産業大手ゼネラル・エレクトリックは2016年にArcam ABを買収し、その後数年間で2台の新型機械を発売した。現在、GE は自社の Web サイトに 3 つの EBM マシンを掲載しています。

●アルカムEBM Q10plus

医療用インプラントの製造に最適化されたコンパクトなマシンで、表面仕上げが向上し、高解像度を実現します。 3kW の電子ビーム出力と最大 200 x 200 x 200 mm の造形体積を特徴としています。この機械は、Ti6Al4V グレード 5 および 23 チタン、Ti グレード 2、コバルトクロム、純銅を処理できます。

●アルカム EBM スペクトラ H

Spectra H は 1,000 °C を超える温度で部品を製造できるため、高温で割れやすい合金に適しています。 6kW の電子ビームと Ø 250 x 430 mm の造形体積を特徴としています。チタンTi6Al4Vグレード5、TiAl、ニッケル合金718、高合金工具鋼を加工できます。

●アルカム EBM スペクトラ L

Spectra L は、Ø 350 x 430 mm という最大の造形体積と、高度な制御機能を備えた 4.5 kW の電子ビームを搭載しており、以前の Arcam マシンと比較して部品あたりのコストが 20% 削減され、生産性の向上と大型部品の製造を目的として設計されています。

日本電子

△JEOLは、同機の主要機能の一つとして「環境に優しく持続可能な社会の実現」を掲げている（出典：JEOL）

JEOL は、電気光学分野で 70 年を超える経験を活かして、積層造形分野に参入します。 RAPID 2022では、初の電子ビーム加工機「JAM – 5200EBM」が発表されました。この装置はヘリウムフリーの真空技術を採用しており、市場の他のどの機械よりも長い 1,500 時間以上稼働できる長寿命のカソードを生成します。 JAM-5200 EBM は最大ビーム出力 6 kW、造形体積 Ø 250 x 400 mm を備え、チタン、ニッケル合金、純銅などの材料を加工できます。このマシンは、電子ビームリソグラフィー部門の専門知識を活用し、スポット形状を狭め、プロセスの安定性と精度を向上させる自動電子ビーム補正機能も備えています。

ウェイランド添加剤

△出典：ウェイランド・アディティブ

Wayland Additive は、英国ハダーズフィールドで事業を展開するスタートアップ企業です。独自の NeuBeam テクノロジーにより、従来の EB PBF のいくつかの主要な問題点に対処します。

従来の EBM では、溶融プールを取り囲む粉末粒子が静電気を帯び、最終的に互いに反発し合い、「煙イベント」が発生してレーザーが妨害され、プロセスの安定性に影響を及ぼします。解決策は、粉末を事前に焼結して導電性を持たせ、電子ビームから電荷を移動させることです。一方、ウェイランド社の NeuBeam テクノロジーは、イオンを使用してこれらの電荷を発生源で中和します。これにより、粉末ベッド全体の事前焼結が不要になるため、EBM は「ホットベッド」プロセスではなく「ホットパーツ」プロセスに変わります。同社は、粉末の凝集の問題を解消しながらも、サポートフリーで応力の少ない部品を製造できると主張しており、このスタートアップ企業が生産規模を拡大することに成功すれば、この成果は業界に革命をもたらす可能性がある。

これまでのところ、Wayland Additive は印刷システム Calibur3 を提供しています。この機械は高さ 3 メートル、造形容積は 300 x 300 x 450 mm、電子ビーム出力は 5 kW です。積層造形で使用される一般的な金属や合金はすべて NeuBeam で処理でき、オープンシステムにより新しいプロセスパラメータの開発が容易になります。また、構造化光スキャン、電子イメージング、高速赤外線カメラなどのプロセス監視ソリューションも提供しており、材料開発の取り組みの効率化に大きく貢献します。

フリーメルト

△オープンソースプリンター Freemelt ONE (出典: Freemelt)

2017年に設立されたFreemeltは、EBM市場におけるもう1つのスウェーデン企業であり、同社の創設者の1人は以前Arcam ABで働いていました。同社はオープンテクノロジーに注力しており、大量市場での採用を実現するためには、金属 3D プリントをオープンにして、より迅速な開発と成長を実現する必要があります。同社は、十分な数の人々がサインアップして Open Melt コミュニティに参加したら、システムユーザーインターフェイス、ビルドプロセッサ、およびシステムインターフェイスを共有する予定です。同社の唯一のマシンである Freemelt ONE は、スタンドアロンの生産マシンとしてではなく、これらの目標を達成するための手段として販売されています。

Freemelt ONE は、最大 6 kW の可変ビーム出力、Ø 100 x 100 mm の造形体積を備えており、R&D マシンであるため、あらゆる導電性金属で使用できます。

QBEAM、天津、中国
天津青岩智樹は2015年に設立され、3つのシリーズと5つのデバイスを提供してきましたが、さまざまな分野のアプリケーションに重点を置いています。

●Eシリーズ：Qbeam E200

△新世代の科学研究用EBSM®装置Qbeam E200（出典：QBEAM）

Freemelt の ONE と同様に、このマシンは材料の研究開発用に設計されています。造形体積は最大 200 x 200 x 240 mm、ビーム出力は 3 kW です。この装置は、チタン合金、高強度チタン合金、難溶接高温合金、耐火金属、金属マトリックス複合材料、高温チタン合金、高強度アルミニウム合金、金属間化合物、高エントロピー合金などのあらゆる導電性材料を処理できます。

Sシリーズ: Qbeam S200、Qbeam S350、Qbeam S600

Qbeam S200 は製造精度と効率を向上させます。仕様は材料開発版と同様で、ビルドサイズは 200 x 200 x 230 mm です。整形外科や航空宇宙分野における小型チタン合金構造部品の量産に適しています。医療分野では、この装置は寛骨臼カップ、椎間固定ケージ、膝関節、肩関節、その他の整形外科用インプラントを印刷することができ、12時間の緊急印刷ニーズに完全に応えます。航空宇宙分野では、Qbeam S200 を使用して、コネクタやブラケットなどの小型チタン合金部品の印刷も行えます。

Qbeam S350 は、大型チタン合金部品の印刷用に設計されています。レーザー出力は 6kW で、チタン合金、高温チタン合金、高強度チタン合金、高強度アルミニウム合金を加工できます。

Qbeam S600 の造形サイズは 600 x 600 x 700 mm で、航空宇宙産業における大規模で複雑な構造部品の製造ニーズを満たします。

Gシリーズ: Qbeam G350

Qbeam G350は独自に開発されたデュアルガン等幅技術を採用しており、予熱、充填、輪郭スキャンを同時に実行できるため、成形効率が2倍以上に向上します。より大きな印刷フォーマットを確保した上で、粉末床温度を1250℃で正確に制御できるため、低ストレスの印刷を実現します。大型薄肉部品や金属間化合物、溶接が難しい高温合金、耐火金属、高エントロピー合金などの複雑な形状や割れやすい材料の部品の加工・製造に適しています。

西安シアロン添加剤

△電子ビーム3Dプリントによる純銅部品

△電子ビーム3Dプリントで印刷された純モリブデン格子構造

40 種類以上の金属粉末とそれを生産する 2 台の機械を開発した中国の別のメーカーは、西安賽龍添加物です。

●セイロン-Y150

△西安サイロンアディティブY150 EBM 3Dプリンター
Sailong-Y150は、整形外科用インプラントの安定生産を目的として設計されており、電子ビーム出力は3kW、最大成形サイズは150×150×180mm（170×170×180mmまでアップグレード可能）です。医療用金属部品（チタン合金、タンタル、ジルコニウム合金など）の3Dプリントに対応しており、印刷プロセスは無人です。この設備は科学研究のニーズも考慮しており、成形プロセスのパラメータを柔軟に調整でき、より小さな成形チャンバー（成形サイズ：100 x 100 x 100mm）のカスタマイズをサポートしているため、新材料成形プロセスの迅速な開発に便利です。チタン合金、耐火金属、金属間化合物、高エントロピー合金、高温合金、ステンレス鋼、ジルコニウム合金、超硬合金などの材料を成形できます。

●セイロンH400

△ サイアロンアディティブ H400 EBM 3Dプリンター

Sailong H400設備は、大型部品の安定生産に重点を置いています。6kW電子銃を搭載し、3Dプリントの効率が高く、コストが低くなっています。最大成形サイズは400×400×400mmで、チタン合金、純銅、ステンレス鋼などの材料を成形できます。

プロビーム

△プロビーム社の電子ビーム粉末床溶融結合装置 EBM 30S（出典：プロビーム社）

ドイツの金属加工専門企業 Pro-beam は、2021 年に粉末床溶融結合装置 PB EBM 30S と直接エネルギー堆積システム PB WEBAM 100 の 2 台のマシンで AM EBM 市場に参入しました。同社は、溶接、穴あけ、硬化などの電子ビームおよびレーザー加工の分野で約 50 年の経験を経て、ついに積層造形分野に進出し、EBM の世界に旋風を巻き起こしています。今のところPB EBM 30Sに関する技術情報はありませんが、同社は、独自の露光戦略により、プロセスの改善により他のメーカーに比べて生産時間が大幅に短縮され、サポート構造が不要になったと主張しています。 PB EBM 30S は、現場の監視機能を通じてプロセスパラメータと構築データを簡単に表示および調整できるオープンシステムとしてリリースされる予定です。

三菱電機（TADA）

△出典：三菱電機

TADAは近年EBMマシンを商品化した2番目の日本企業です。 EZ300は三菱電機の子会社である多田電機が開発した。今のところこれに関する情報はほとんどありませんが、最大造形サイズは 220 x 220 x 300 mm、電子ビーム出力は 6 kW、カソード寿命は最大 1,000 時間になります。

電子ビーム粉末床融合の未来

△ Wayland Additive NeuBeam テクノロジーで作られたインペラー (出典: Wayland Additive)

アンタークティック・ベアは、電子ビーム溶解技術の将来は明るいと信じています。しかし、積層造形全体に対する現在の関心のおかげで、電子ビーム溶融は確かに刺激的な時代に向かっています。しかし、実際の生産において技術革新を実現するには、克服すべき課題がまだ多く残されています。EBM が将来的に主要な製造プロセスとして位置付けられるかどうかは、時が経てばわかることでしょう。

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