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ESD21 オープンフォーラム

Arcam社の電子ビームによる金属積層造形技術とその応用

2014年 5月28日

株式会社エイチ・ティー・エル

筒井 昌

-- Additive Manufacturing --

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何故AMが注目されるのか？

１．設計の自由度

２．納期の短縮

３．材料費の削減

４. 加工費の削減

５. ネット構造の造形（格子、多孔性等）

*AM: Additive Manufacturing

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1. Powder Bed AM-Arcam EBM (Electron Beam Melt), Sweden

-EOS (Direct Metal Laser Sintering), Germany

-Concept Laser (Laser Cusing), Germany

-3D System (Selective Laser Sintering)

-松浦機械製作所（金属光造形複合加工機）

2. Laser Powder Injection AM-Optomec (Laser Engineered Net Shaping), USA

-POM (Direct Metal Deposition), USA

-Accufusion (Laser Consolidation), Canada

3. Electron Beam Free Form Fabrication AM-Sciaky Inc., USA

AM技術について

（東北大学金属材料研究所 千葉教授資料から引用）

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Arcam社の概要

・1997年に会社設立 (Goteborg 市、Sweden)

・Sweden Stockholm 市場株式上場

・主な株主：工業開発信託財団及び大手投資家

・2002年：β Machine を納入

・2003年3月：１号機を納入

・納入実績：合計 約140台 （2014年 5月現在）

・社員数： 約90名

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Electron Beam Melting (EBM®)

１．2500℃以上に加熱されたフィラメントから

放射された電子は、アノ－ドを通して光速の

半分のスピ－ドに加速されます

２．加速された電子は、フォーカスコイルにより

金属パウダーへ焦点を合わせ、ディフレク

ションコイルによりビ－ム走査が行われます

３．電子が金属パウダ－に照射された時の運動

エネルギ－が熱に変換され、この熱によって

金属パウダ－が溶解されます

No moving parts!

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Arcam A2X：装置外観

タッチスクリ－ンモニタ－

コントロ－ルユニット

高電圧電源部

電子ビームガン

観察用窓

真空チャンバ－（造形テ－ブル、金属パウダ－タンク、パウダーレーキ等）

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Arcam EBM System：装置内部

遮熱シールド

造形テーブル

電子ビームガン

パウダータンク

パウダーレーキ

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Powder Recovery System

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Powder Recovery System

1. Cyclotron:

・ 細かいPowderの分離

2. HEPA Filter:

・ 吸収

3. Magnet:

・磁化したPowderの分離

New Powder Recovery SystemClosed chamber

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1010

Trolley

1. Powder Hopper の移動

2. Build Tank の移動

3. Powder barrels の移動

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部品造形の流れ

5. EBM ProcessEBMプロセスにより金属パウ

ダ－が溶解され、レイヤ－ごと

に積層され金属部品が造形され

ます

6. Metal Part

機能的な金属部品が

完成します

1. 3D CAD 設計*（STL、バイナリー）

2. STL-file 変換

3D CADファイルは、STLファイル

に変換します (by Magics)

3. スライス-file (SLC) 変換(by Magics)

4. DataをEBM Q10/A2Xへ 転送

*標準3Dフォーマット:STL, VDA, IGES, STEP,native CAD and etc.

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Arcam EBM®の特長

1. 高出力：最大 3.5 KW (at Arcam A2X)

・高いエネルギー効率

・高い造形速度（金属溶解能力）

4. 100%高密度：優れた機械的強度・組成

・Micro Structure／鋳造物より高品質

5. 経済的な造形

・材料のリサイクリング（95% 以上）

2.真空中における溶解：不純物の混入が無い

3. Powder の予熱 約700℃

・ 低い残留応力、殆んど歪が無い

Controlled Micro Structure !

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Arcam Systems

Arcam A2X Arcam Q10

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New Arcam System

Arcam Q20

Pushing the Envelope for Additive Manufacturing

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Q10 & A2X仕様

MODEL Arcam Q10 Arcam A2X

最大造形サイズ 200 x 200 x 180 mm 200 x 200 x 380 mm

精 度* +/- 0.13 or 0.2 mm (TBA) +/-0.13 or 0.2 mm

表面精度 縦／横** <Ra20 / Ra30 Ra25 / Ra35

Beam Spot Size 100 um 200 - 300 um

EB スキャンスピード Up to 8000 m/s Up to 8000 m/s

EB Power 50 - 3000 W (連続可変) 50 - 3500 W (連続可変)

Cathode Type Single Crystal line (CeB6) W Fiament

電 源 3 Phase, AC400 V, 32 A, 7 kW 3 Phase, AC400 V, 32 A, 7 kW

外形寸法 (mm) 1,850 (w) x 900 (D) x 2,200 (H) 1,850 (w) x 900 (D) x 2,400 (H)

重量 1,420 Kg 1,420 Kg

*Long range=100mm, Short range=10mm (ASTP). **Measured on Arcam standard test part (ASTP)

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Q20 仕様

MODEL Arcam Q20 Arcam ?

最大造形サイズ 350φ x 380 (H) mm

精 度* +/- 0.13 or 0.2 mm (TBA)

表面精度 縦／横** <Ra20 / Ra30

Beam Spot Size 180 um

EB スキャンスピード Up to 8000 m/s

EB Power 50 - 3000 W (連続可変)

Cathode Type Single Crystal line (CeB6)

電 源 3 Phase, AC400 V, 32 A, 7 kW

外形寸法 (mm) 2,300 (w) x 1,300 (D) x 2,600 (H)

重量 2,900 Kg

*Long range=100mm, Short range=10mm (ASTP). **Measured on Arcam standard test part (ASTP)

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１．実際の「ものづくり」に使う材料の提供・Excellent Material Property

・Compliant with applicable standard

２．Arcam供給金属材料-Ti6Al4V (Grade 5)

-Ti6Al4V ELI (Grade 23)

-Pure Ti (Grade 2)

-CoCr (ASTM F75)

-γTi-Al(Titanium aluminide)

-IN 718 (Available September 2014)

３．新材料・研究開発：Advanced Trainings

Material Strategy

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Arcam社及びお客様がテストした金属材料-Super alloy (Inconel 625 & 718)

-Stainless steel (17-4PH)

-Tool steel (H13)

-Aluminum (AL6061)

-Hard metal (NiWC)

-Copper (GRCop-84)

-Beryllium (AlBeMet)

-Amorphous metals

-Niobium

-Inver

その他のMaterials

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１．Pre-alloyed powder

２．組成：規則・基準に準拠

３．Arcam社で組成や機械強度を確認済み

４．粒径の分布：安全な領域を使用

５．Arcam 金属粉末+造形レシピの提供

Arcam 金属粉末の特長

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Arcam Ti6Al4V

機械的特性

－降状点強度 (Rp 0,2) 950 Mpa (758)

－最大抗張力 (Rm) 1020 Mpa (860)

－ロックウェル硬度 33 HRC (-)

－伸び率 14% (>8)

－疲労強度* @ 600 MPa >10 million cycles (-)

－ヤング率 120 Gpa (-)

*) After Hot Isostatic Pressing (HIP処理＝熱間等方圧成形)

アプリケ－ション

－航空宇宙産業

－レ－シングカ－

－医療用インプラント

－船舶産業

（チタン鋳物ASTM F 1108 との比較）

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Arcam Ti6Al4V ELI*

*Extra Low Interstitial （極低不純物合金、酸素量が少ない）

機械的特性

－降状強度 (Rp 0,2) 930 Mpa (795)

－最大抗張力 (Rm) 970 Mpa (860)

－ロックウェル硬度 32 HRC (30-35)

－伸び率 16% (>10)

－疲労強度* @ 600 MPa >10 million cycles (>1)

－ヤング率 120 Gpa (114)

*) After Hot Isostatic Pressing (HIP処理＝熱間等方圧成形)

アプリケ－ション

－医療用インプラント

－航空宇宙産業

－低温用途

（チタンASTM F 136 との比較）

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Arcam Pure Ti Grade2

機械的特性

－降状点強度 (Rp 0,2) 540 Mpa (275)

－最大抗張力 (Rm) 570 Mpa (345)

－伸び率 21% (>20)

－絞り 55% (>30)

アプリケ－ション

－医療用インプラント

－その他

（純チタンASTM F 67 との比較）

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Arcam Ti6Al4V, Microstructure

１．Arcam Ti6Al4Vチタン合金は、多結晶微細構造を有し、鋳造Ti6Al4Vより

優れております。α相にβ相が含まれております。

２．この写真サンプルは、電子ビームによる溶解プロセス後、自然冷却したものです。

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Arcam Cobalt Chrome

CoCr は優れた耐腐食性があります

機械的特性

－降状強度 (Rp 0,2) 560 Mpa (450)

－最大抗張力 (Rm) 960 Mpa (655)

－ロックウェル硬度 34 HRC (25-35)

－伸び率 20 % (>8)

－疲労強度 @ 610 MPa >10 million cycles (-)

(All data are after heat treatment.)

アプリケ－ション

－整形外科用インプラント

－人工的補充物（義足、義手）

－射出金型（プラスティック）

（ASTM F75 との比較）

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Arcam CoCr, Microstructure

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応用分野（産業分野）

医療産業

・人工股関節

・人工骨

・インプラント等

航空宇宙産業 自動車産業

・エンジン部品

・インペラ部品

・ランディングギヤー等

・ギヤーボックス

・エンジン部品

・マニフォールド等

複合部品類 金型産業

・ラティス構造部品

・複合部品

・高強度部品等

・プラスチック金型等

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CE-certified & FDA-cleared Implants

Adler ortho, Italy

2007-

Courtesy of Adler

ortho.

Lima, Italy

2007-

Courtesy of Lima

corporate S.p.a

Exactech, US

2010-

Courtesy of

Exactech

Material: Ti6Al4V

Build time: 16 cups in 8 hours

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Revision Cups & Lumbar Cage

CE-Mark 2007-

Courtesy of Lima corporate S.p.a

Material: Ti Grade 2

Build time: 4 cups in 13 hours

Certified 2009-

Courtesy of Medtronic Inc.

Material: Ti Grade 2

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Aerospace Parts/Turbine Blades

Courtesy of Avio S.pA.

Material: γ-TiAl

Size: 8x 12 x 325mm

Weight:0.5 Kg

Build time: 7 hours/ Blade

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Pocket Engine Impeller

Material: Ti6Al4V ELI

Size: Dia. 140 x 80 mm

Weight: 2.5 Kg

Build time: 16 hours

Courtesy of CalRAM, Inc.

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Gas Turbine EngineCompressor Support Case

Material: Ti6Al4V

Size: Dia. 267 x 75 mm

Weight: 3.5 Kg

Build time: 30 hours

Courtesy of Chernyshev Moscow-Building Enterprise Chernyshev, RD-1700

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Aerospace Prototype

Material: Ti6Al4V

Size: Dia. 180 x 300 mm

Weight:5.5 Kg

Build time: 40 hours

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Example of Layout

For Q10 & A2X

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References

Orthopedics

Academia

Aerospace

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今後の開発目標（課題）

１．電子ビームの大出力化、ビームの高品質化

・3.5KW → 10KW

２．より速く／より大きな造形部品

・金属溶解能力アップ

・予熱面積の拡大

・Cool down時間の短縮

３. 表面の滑らかさの改善

・表面粗さの改善

４．パウダーリサイクル

・Closed Chamber方式

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Arcam AB.日本総代理店

株式会社エイチ・ティー・エル営業本部

東京都立川市曙町 2-16-6 テクノビル 3FTel ：０４２－５２３－２８７１Fax：０４２－５２３－２８０３

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