25年が経過しました。電子ビームとレーザーの粉末床核融合技術には、どのような刺激的な変化が起こったのでしょうか?

この投稿は warrior bear によって 2022-9-26 21:35 に最後に編集されました。

はじめに: 半世紀以上にわたり、学界では、レーザーと電子ビームの 2 つのエネルギービームのうち、どちらが金属の精密溶接の実現可能な技術としてより適しているかについて議論されてきました。電子ビームはより深い溶接溶け込みを実現できますが、ビームの散乱を防ぐために真空が必要であり、高価な真空チャンバーによって適用規模が制限されます。レーザー溶接は浸透が少なく、真空を必要とせず、真空チャンバーによる制限もありませんが、ガス汚染の影響を受けやすくなります。したがって、それらはすべて独自の価値提案とアプリケーションを持っています。

1980 年代後半から 1990 年代前半にかけて、米国、ドイツ、スウェーデンの研究者は、電子ビームとレーザーを使用して、空洞内の金属粉末層を溶接して複雑な 3D 形状を作り始めました。こうして、積層造形（AM）のレーザー粉末床溶融結合（LPBF）技術と電子ビーム粉末床溶融結合（EB-PBF）技術が誕生しました。 LPBF は 1990 年代半ばに SLM Solutions と EOS によって商品化され、EB-PBF は 1997 年に Arcam AB によって商品化されました。 △EOSのAMCM M 290-2 1kWレーザー粉末床溶融結合システムは、優れた幾何学的精度で銅部品を3Dプリントすることができます。電子ビームとレーザー粉末床溶融結合技術を競合技術として比較するのは不公平かもしれませんが、25年経った今でも、さまざまな理由により、EB-PBFは金属積層造形市場全体での応用において依然としてLPBFに大きく遅れをとっていることは業界の秘密ではありません。
レーザー・電子ビーム積層技術の開発動向<br /> 次のグラフは、さまざまな期間におけるさまざまな機械 OEM による EB-PBF テクノロジの開発を示しています。このグラフから、2 つの重要なことがわかります。
1. Arcam は 20 年近くにわたり、LPBF 積層造形技術の応用を推進し、LPBF 技術を使用する他のメーカーと競争してきました。 2. GE は 2016 年に Arcam を買収して積層造形市場に参入し、それ以来少なくとも 6 つの新規企業がこの業界に参入しました。
△EB-PBF機OEMの進化。画像クレジット: Barnes Global Advisors さらに詳しく見てみましょう。電子ビームと粉末特性の相互作用を理解し、粉末煙などの問題を回避し、高電圧アーキテクチャと真空チャンバーの信頼性と安定性を向上させることは、すべて複雑な問題であり、EB-PBF 技術を適用する新規参入者にとってのハードルを引き上げます。
EB-PBFではLPBF装置の生産効率を達成することは困難です。部品メーカーにとって、残留応力なしにより高い層厚で迅速に印刷するには、真空レベル、冷却速度、カソードの交換頻度、部品の表面仕上げを改善するために必要な時間を制御する必要があります。
LPBF 技術と比較した場合、EB-PBF の主な利点は、高温で、ひび割れが発生しやすく、反射しやすい合金を溶かす能力です。この技術は、チタンのような高価値の溶接可能な金属を対象としており、医療および航空宇宙市場での普及を目指しています。 EB-PBF 技術の場合、プロセスパラメータの調査には広範なトレーニングが必要であり、研究コミュニティにはオープンなマシンプラットフォームがないため、他の材料の開発が抑制され、EB-PBF はチタン合金専用になっています。
しかし、これらは解決可能な問題です。これらの問題を解決するには、リソースと、競争を通じてそれらのリソースを確保することだけが必要です。
同じ時期に、レーザー粉末床溶融結合技術は金属 AM におけるイノベーションの温床となり、大手から中小までさまざまな企業による激しい競争の恩恵を受けました。新しいプレーヤーや新しいマシンが登場するたびに、LPBF プロセスの経済性を向上させ、市場のアプリケーションにより適したものにしようと試みます。
下の図から、金属加工の分野では、レーザー積層技術（LPBF）は生産性を向上できるという外部からの宣伝のおかげでゆっくりと上向きに発展しているのに対し、電子ビーム積層技術（EB-PBF）は依然として発展の谷間で苦戦していることがわかります。
△ Gartner ハイプサイクルにおける EB-PBF と LPBF の位置付け。画像提供: Barnes Global Advisors
好ましいマクロトレンド<br /> GE Additive は 2016 年に Arcam を買収し、この分野に新たな活力をもたらしました。同社は生産性の向上と新素材の開発を目的として、比較的短期間に2台の新型機械を発売した。過去 5 年間で、少なくとも 6 社の新しい企業がこの分野に参入し、EB-PBF の未開発の可能性を求めて競争してきました。
これらの新規参入者のタイミングは、ビジネス環境を付加製造の採用にさらに適したものにするいくつかのマクロトレンドとも一致しています。全体的に、製造業界における AM の認知度は高まっており、これがすべての AM を前進させる潮流となっています。新型コロナウイルス感染症のパンデミックにより、サプライチェーンの柔軟性の欠如が露呈し、米国などの主要経済国は国内の製造能力の強化に再び重点を置くようになった。工具を必要とせずに数週間で交換部品を提供できる付加製造などの技術が登場すると、業界では製造に最大 52 週間かかる従来の鋳造技術への依存度が低下し始めます。航空宇宙や医療などの規制産業でも、新しい AM 認証および資格基準が登場し始めており、従事ルールが以前よりも明確になっています。より優れた設計ソフトウェア、より優れたトレーニングと意識、そして全体的なバリューチェーンの向上により、より多くの AM アプリケーションが可能になります。
付加製造業界の焦点は、費用のかかる探索的プロジェクトから、確固たるビジネスケースを必要とする主流の生産アプリケーションへと徐々に移行しつつあります。積層造形業界では、高いスループットと生産性を実現できる、信頼性が高く、繰り返し使用できるマシンが必要です。
今日の EB-PBF 市場のどのような新機能が、その明るい未来に希望を与えているのでしょうか?マクロレベルでは、10 年前に LPBF を推進したのと同じ要因が、EB-PBF を生産的なエコシステムへと推進するために形作られつつあることがわかります。
EB-PBFの黄金時代
6つの新会社、フリーメルト、ウェイランド・アディティブ、日本電子、三菱電機、キュービーム、プロビームは、それぞれ異なる起源、強み、戦略を持っています。
Freemelt のルーツは、創設者が Arcam 出身のスウェーデンにまで遡ります。 2017年に設立された同社の戦略は、オープンマシンプラットフォームを通じてより広範な研究分野に参入し、新しい材料やアプリケーションの開発を加速し、市場での採用を促進し、その後工業生産に移行することにあるようです。 Freemeltの成長、規模、信頼性の高い産業システムを提供する能力は、新しい材料を生産アプリケーションに移行するための鍵となります。
2015年に中国の清華大学からスピンアウトした天津青岩智書科技有限公司（QBeam）は、その卒業生チームとともに、医療および航空宇宙産業向けの2台のEB-PBFマシンと、Freemeltと同様に材料研究専用の3台目のマシンを宣伝している。同社は2017年に設立されて以来、このリストに載っているどの企業よりも長い5年間の成熟期を積んできました。現在は地域的なプレーヤーだが、世界舞台に進出するのは時間の問題かもしれない。
Pro-beam は、電子ビームおよびレーザー溶接、マイクロドリリング業界、表面コーティングの分野で豊富な経験を持つドイツ企業です。同社は、フットプリントが小さく、生産性の高いアプリケーション分野をターゲットにしており、ワイヤーベースのシステムとともに、Formnext 2021でEB-PBFマシンを発表します。プロセスの並列化、電子光学式現場監視システム、熱分散を改善する独自の露出戦略など、さまざまな市場機能を備えたこの新規参入企業は、産業化計画をさらに詳細化することが期待されます。
日本もこの取り組みに加わり、2014年に戦略的投資を行い、産業界と学界を結集して新世代の産業用3Dプリンターを開発・商品化しました。これにより、三菱電機の多田電機株式会社と日本電子という 2 つの新しい EB-PBF プレーヤーが誕生しました。
TADA は、Pro-beam と同様に、 6 kW のマシンと 1,000 時間のカソード寿命を誇る電子ビーム溶接技術を EB-PBF 市場に投入することを目指しています。三菱電機は、日本初の EB-PBF マシンを標榜しており、同社のブランド力と世界的な展開により、このマシンが市場でより広く受け入れられるようになる可能性がある。
一方、JEOLは電子光学製造で70年以上の経験、電子ビーム計測・リソグラフィー技術で50年以上の実績があり、北米のRAPID 2022展示会で産業グレードのプリンターを発表して話題を呼んだ。興味深いことに、JEOL の積層造形へのアプローチは Freemelt とは正反対で、R&D プリンターよりも難しい産業グレードのプリンターに的を絞っています。この戦略は、JEOL が電子ビーム研究基盤と 130 か国以上に広がるグローバルサービスネットワークに産業対応力を賭けようとしていることを示唆しています。さらに、JEOL は EB-PBF の問題点に直接対処する革新的なソリューションを宣伝しています。例えば、同社の特許取得済みの真空技術により、EB-PBFデバイスの中で最長となる1,500時間以上のカソード寿命が可能になると言われています。 JEOL が粉末煙の問題に対して採用した解決策は、「e-シールド」と呼ばれる物理的なシールドであり、これにより、高価で再生不可能な資源であるヘリウムが不要になります。 JEOL は半導体リソグラフィーの専門知識も活用し、印刷プロセス中に電子ビームの焦点と形状を自動的に補正して、産業機械の重要な要件である部品の高精度と再現性を確保します。
Wayland Additive は、シリーズ A の資金調達を受け、半導体業界から積層造形業界へ成熟した電子ビーム技術を移転することを目指している英国のスタートアップ企業です。彼らの主な焦点は、活性イオンの流れを使用するNeuBeamと呼ばれる電荷中和技術で粉塵煙の問題に対処することです。 Wayland 社では、ホットベッドプロセスではなく、ホットパーツプロセスも使用しています。このプロセスでは、粉末ベッド全体ではなく、印刷される部品を構成する粉末にのみ高温が適用されます。これにより、冷却が速くなり、粉末の除去が容易になります。 Wayland の市場戦略は、顧客が好みの材料を開発できるオープンパラメータを備えた産業用機械であると思われます。スタートアップとしてのウェイランドの機敏さは有利かもしれないが、同社が大量生産用の強力な産業用機械を製造するという厳しい課題に取り組み、規模拡大を目指してサービスネットワークを構築できることが期待されている。
△「ホットベッド」プロセスではなく「ホットパーツ」プロセスである NeuBeam 3D プリントでは、パーツの断面の事前焼結のみが必要なため、構築時間が短縮されます。未使用の粉末はそのまま残るため、後処理も簡単になります。写真: ウェイランドアディティブ
EB-PBFの開発方向は何ですか?
EB-PBF マシンを、現在利用可能な造形量と材料の数に基づいてマッピングすると (下図を参照)、R&D/医療、標準サイズ、大型アプリケーションなど、さまざまな市場カテゴリーでの競争がわかります。 Freemelt One (0-6k-W ビーム) と QBeam Lab 200 (3k-W ビーム) は、明らかに少量バッチでの迅速な材料研究開発を目的としています。 GE Arcam Q10+ (3 kW ビーム) と QBeam Med 200 (3 kW ビーム) は、整形外科用インプラントなどのコンポーネントに非常に小さな設置面積が求められる医療業界に特化した製品です。 GE Arcam Spectra L (4.5 kW ビーム)、Wayland Calibur 3 (5 kW ビーム)、QBeam Aero 350 (6 kW ビーム) は、レーザーでは不可能な大型部品の印刷というニッチな市場ニーズに対応します。 JEOL JAM-5200EBM (6 kW ビーム) と GE Arcam Spectra H (6 kW ビーム) は、新しい合金が導入される一般的なアプリケーション領域で直接競合しており、現在、ほとんどの非医療用生産アプリケーションがこの領域に該当します。
△ EB-PBFマシンの比較。画像クレジット: Barnes Global Advisors 3 つのカテゴリーすべてで競争が行われることで、製品の差別化が促進され、人材とアイデアの流れが促進され、EB-PBF の問題点の解決に役立つことが期待されます。
南極熊のコメント<br /> アンタークティックベアは、新規参入企業がプラットフォームを開放して新しいプロセスパラメータの開発と最適化を行い、その場での検出機能の向上に注力するにつれて、 EB-PBFの最先端技術によって新しい合金の開発が加速されると考えています。金属間化合物、機能的に傾斜した多成分材料、形状記憶合金、耐火物、銅ベースの合金は、医療用ヒップカップやジェットエンジンブレード以外にも、熱伝達、切削工具、電気機械モーター、耐摩耗製品、原子炉部品、その他の高温用途など、新たな用途の開拓に役立ちます。確かなのは、電子ビーム積層造形の刺激的な時代が到来しているということです。

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