電子ビーム粉末床融合積層造形法：レビューと中国における開発

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

清華大学と広西大学の研究者らは、中国における電子ビーム粉末床溶融付加製造とその開発研究のレビューを報告した。関連論文は、「電子ビーム粉末ベッド融合積層造形：包括的レビューと中国におけるその発展」というタイトルでAdditive Manufacturing Frontiersに掲載されました。

付加製造（AM）は重要な革新技術として、製造業界に革命的な変化をもたらしました。中国は30年以上にわたり付加製造分野で強力な能力を発揮し、重要なマイルストーンを達成し、関連機械や製品の導入と輸出において世界の主要なプレーヤーとなっている。粉末床溶融結合技術における中国の卓越性は、その巨大な市場シェアに反映されています。電子ビーム粉末床溶融結合（EB-PBF）技術は、残留応力が低く、成形効率が高いことで知られており、国際的に広く注目を集めています。 2004年に清華大学で最初のEB-PBF研究が開始されて以来、中国はこの分野で着実に進歩し、EB-PBFデバイスを商品化し、多様な製品ラインを開発してきました。このレビューでは、EB-PBF の研究の進捗状況、特に中国での開発に焦点を当て、新しい技術を探求し、将来の開発に関する洞察を提供します。

図1. 電子ビーム積層造形の概略図（a）ワイヤ供給、（b）EB-PBF
図 2. (a) EB-PBF マシンのシステム図、(b) EB-PBF 製造プロセス図 3. EB とレーザー間のエネルギー変換図 4. (a) GE9X エンジン、(b) EB-PBF で製造された TiAl タービンブレード図 5. (a) EB-PBF で製造された Trent XWB97K フロントベアリングブレード、(b) GE Additive が製造したエンジンノズル図 6. EB-PBF で製造された寛骨臼カップ図 7. 市販の EB-PBF マシンの概要図 8. 清華大学における EB-PBF 開発のマイルストーン図 9. 清華大学の EB-PBF マシン: (a) EBSM-150、(b) EBSM-250I、(c) EBSM-250II、(d) EBSM-250III
図 10. EB-LHM プロセス図 11. EB-PBF プロセスの現在可能なモデリング戦略の概要図 12. メルトプールシミュレーション結果: (a) 並列熱自由表面格子ボルツマン法、(b) 有限体積法図 13. EB-PBF によって形成されたさまざまなサイズの In738 合金単結晶: (a) 成形スキャン戦略、(bg) 徐々に成形サイズが大きくなる単結晶図 14. (a) Freemelt の Pixelmelt® テクノロジー、(b) EB-PBF ポイント溶融テクノロジーによって製造された SDSS 2507 サンプル図 15. 積層造形における機械学習の応用図 16. EBM 製部品の内部欠陥の予測
AM は、製造業の将来の発展の主な原動力になると考えられています。近年、EB-PBF技術は、大きな発展の可能性を秘めた金属積層造形法として、技術的な困難を克服しながら徐々に産業化へと進み、航空宇宙、医療機器などの業界で広く利用されてきました。中国のEB-PBFに関する基礎研究は国際的に認められており、独自の研究と設備開発を実現しています。中国は、大規模かつハイブリッドなEB-PBF技術において大きな進歩を遂げてきました。近年、EB-PBF 業界は科学研究と商業的応用において急速な発展を遂げています。しかし、この技術にはさらなる開発と改善の余地がまだあります。今後の研究の主な分野は次のとおりです。

（１）アレイスプレーガンの大型化と安定化：アレイスキャン技術を用いて幅１メートルを超える部品を成形できる大型L-PBF装置の登場により、EB-PBFの進歩の必要性が浮き彫りになった。電子銃のカソード寿命と安定性はレーザーデバイスに比べて比較的短いため、EB-PBF デバイスのスケーラビリティについてはさらに調査する必要があります。

（２）電子銃技術：電子銃の加速電圧の向上、電子ビームスポットの精度の向上、電子銃の寿命の延長は、EB-PBFの大規模な工業生産にとって極めて重要である。

（３）統合とインテリジェントオートメーション：EB-PBFプロセスの統合とインテリジェントオートメーションを強化することが重要です。粉末製造、部品製造、粉末リサイクルを含む閉ループ製造エコシステムを確立することで、生産ライフサイクル全体を最適化できます。インダストリー 4.0 の原則を採用し、製造品質をリアルタイムで監視し、プロセスパラメータを動的に調整し、人工知能とビッグデータを活用して印刷プロセス中に情報に基づいた意思決定を行うことで、EB-PBF の精度と効率を大幅に向上させ、生産コストを削減できます。

（4）シミュレーション主導のプロセス最適化：シミュレーション機能を使用して、印刷パラメータと部品特性（温度プロファイル、溶質分布、冷却速度、結晶粒成長ダイナミクスなど）を関連付ける予測モデルを確立することで、欠陥を大幅に削減し、材料開発を加速し、最終的に優れた製品品質を実現できます。

（５）革新的な材料とプロセス開発：現在、EB-PBFは医療用チタン合金や溶接不可能または割れやすい合金（高温合金や金属間化合物など）の製造に使用でき、印刷可能な材料の範囲を拡大する必要性を強調しています。したがって、欠陥や発煙を減らすために、EB-PBF 専用の金属粉末を開発することが重要です。さらに、多合金混合粉末の原位置合金化や、品質基準を維持するための粉末再利用ガイドラインの確立も、検討が必要な重要な分野です。

（6）理論と特性評価の進歩：AM部品の微細構造と特性の相互作用をより深く理解するには、革新的な理論的枠組みと特性評価技術が不可欠です。これにより、プロセスパラメータ、微細構造、部品の性能間の複雑な関係をより深く理解できるようになります。

（７）加法・減法ハイブリッド製造：現状、EB-PBFは形状安定性と精度の点で限界があり、形状精度と効率の向上に加え、電子ビーム、超高速レーザー、CNC加工の利点を組み合わせたハイブリッド製造モードを模索する必要がある。

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