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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-- Additive Manufacturing --2014年 5月28日

株式会社エイチ・ティー・エル
筒井 昌

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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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AM技術について
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（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

電子ビームガン

観察用窓

高電圧電源部
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

遮熱シールド電子ビームガンパウダータンク

パウダーレーキ
造形テーブル7

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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 System
Closed chamber

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Trolley
1. Powder Hopper の移動

2. Build Tank の移動
3. Powder barrels の移動10CONFIDENTIAL

部品造形の流れ1. 3D CAD 設計*

5. EBM Process

6. Metal Part（STL、バイナリー）

EBM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

機能的な金属部品が2. STL-file 変換
3D CADファイルは、STLファイル

完成しますに変換します (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®

Controlled Micro Structure !
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）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
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）

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Arcam Systems

Arcam A2X

Arcam Q10

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New Arcam System
Pushing the Envelope for
Additive Manufacturing

Arcam Q20
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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 um200 - 300 um

EB スキャンスピード

Up to 8000 m/s

Up to 8000 m/sEB 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)重量1,850 (w) x 900 (D) x 2,200 (H) 1,850 (w) x 900 (D) x 2,400 (H)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

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 umEB 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

Arcam ?

*Long range=100mm, Short range=10mm (ASTP). **Measured on Arcam standard test part (ASTP)
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Material Strategy
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
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その他のMaterials
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-Inver18

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Arcam 金属粉末の特長
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

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Arcam Ti6Al4V（チタン鋳物 ASTM F 1108 との比較）
機械的特性－降状点強度 (Rp 0,2)

950 Mpa (758)－最大抗張力 (Rm)
－ロックウェル硬度－伸び率－疲労強度* @ 600 MPa－ヤング率1020 Mpa (860)
33 HRC (-)
14% (>8)>10 million cycles (-)
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
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Arcam Ti6Al4V ELI*
*Extra Low Interstitial （極低不純物合金、酸素量が少ない）（チタン ASTM F 136 との比較）

機械的特性－降状強度 (Rp 0,2)930 Mpa (795)－最大抗張力 (Rm)
－ロックウェル硬度－伸び率－疲労強度* @ 600 MPa－ヤング率

970 Mpa (860)32 HRC (30-35)
16% (>10)>10 million cycles (>1)
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
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Arcam Pure Ti Grade2（純チタンASTM F 67 との比較）
機械的特性－降状点強度 (Rp 0,2)

540 Mpa (275)－最大抗張力 (Rm)
－伸び率－絞り570 Mpa (345)
21% (>20)
55% (>30)

アプリケ－ション－医療用インプラント
－その他

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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（ASTM F75 との比較）

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)
－ロックウェル硬度－伸び率－疲労強度 @ 610 MPa

960 Mpa (655)34 HRC (25-35)
20 % (>8)>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）
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Arcam CoCr, Microstructure25

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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・エンジン部品
・インペラ部品・ランディングギヤー等

複合部品類
・ラティス構造部品
・複合部品
・高強度部品等

自動車産業
・ギヤーボックス
・エンジン部品・マニフォールド等

金型産業
・プラスチック金型等

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CE-certified & FDA-cleared Implants

Adler ortho, Italy
2007Courtesy of Adlerortho.

Lima, Italy
2007Courtesy of Lima
corporate S.p.a

Exactech, US
2010Courtesy ofExactech

Material: Ti6Al4V
Build time: 16 cups in 8 hours

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Revision Cups & Lumbar Cage
CE-Mark 2007Courtesy of Lima corporate S.p.a
Material: Ti Grade 2
Build time: 4 cups in 13 hours

Certified 2009Courtesy of Medtronic Inc.
Material: Ti Grade 228

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Aerospace Parts/Turbine Blades
Material: γ-TiAl
Size: 8x 12 x 325mm
Weight:0.5 Kg
Build time: 7 hours/ Blade

Courtesy of Avio S.pA.
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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 Engine
Compressor 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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CONFIDENTIALAerospace 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
Aerospace

Orthopedics

Academia

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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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ご連絡先

Thank you for your attention!

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 3F
Tel ：０４２－５２３－２８７１
Fax：０４２－５２３－２８０３36