[インタビュー] Peter Hansford 氏、Wayland Additive CRO、電子ビーム「最高口径」金属積層造形

Mar 19, 2023

英国に本拠を置く Wayland Additive は、電子ビーム製造技術への革新的なアプローチを提供することで、金属積層造形業界に新境地を開拓しています。 NeuBeam プロセスと名付けられた彼らのソリューションは、従来の電子ビーム溶解 (EBM) で見られる長年の問題を軽減することを試みています。 EBM テクノロジーは特定のアプリケーションにとって、また品質保証やプロセス監視の点では利点があるにもかかわらず、これらの問題により、EBM テクノロジーの広範な導入が妨げられてきました。

Wayland Additive の CRO である Peter Hansford 氏は、3D 印刷業界とのインタビューで、電子ビームとレーザーベースの積層造形の核心的な違いを強調しました。 「電子ビームとレーザーは、一方がホットプロセスであり、一方がコールドプロセスであるという点で根本的に異なります。どちらにも制限はありますが、どちらかが他方より優れているということではありません。ただ、異なるだけです」とハンスフォード氏は説明した。

電子ビーム技術は通常、レーザープロセス中に加熱プロセスにより大きな応力を受ける大型部品に導入されます。 しかし、電子ビームはルースパウダーに対するマイナス電子の影響などもあり、「管理が難しいプロセス」として広く採用されていない。 20年間、この問題には「絆創膏」が貼られてきた。 Wayland の新しいアプローチは、これらの問題を最初から回避することを目的としています。

Hansford 氏によると、NeuBeam プロセスでは「システム全体が無力化される」技術が採用されており、これは他の EBM システムとはまったく異なります。 このユニークなアプローチにより、Wayland Additive は現在 eBeam で中立的なシステムを提供している唯一の企業となっています。

Wayland Additive の最初の商用 NeuBeam 金属積層造形システム (Calibur3 として知られる) は、2021 年 3 月に発売されました。

NeuBeam プロセスは、高温または加工が難しい材料を使用する用途に適しています。 「高温の材料、加工が難しい材料、銅の反射材料のような光学的に難しいもの、または温度が問題となり亀裂が発生するもの」とハンスフォード氏は説明した。 彼らの技術により、タングステンなどの完全に高密度で加工が難しい材料を印刷することができます。

電子ビーム積層造形の市場規模

このテクノロジーの潜在的な市場について尋ねられたとき、ハンスフォード氏は、対応可能な市場の成長について楽観的な見方を示しました。 しかし、彼はまた、伝統的な製造方法と競合するための新技術の導入に伴う課題も強調しました。 ハンスフォード氏は、潜在的な製造顧客の立場に立って、「添加剤を採用してこれらの部品を製造するプロセスを変更する場合、材料に妥協する必要があり、プロセスが新しい場合、」と述べました。 、それは難しくなります。」

これらの課題にもかかわらず、Wayland Additive は市場を開拓する鍵があると信じています。 彼らは、レーザーベースの金属積層造形と競合することは考えておらず、むしろ今日では解決できないアプリケーションを探しています。 彼らのビジョンと事業予測により、彼らは加速する成長軌道を予測しており、2030 年までに 1 億 5,000 万ポンドの企業になる可能性があると見積もっています。

ハンスフォード氏はまた、産業用電子ビーム製造、半導体産業、高電圧、添加剤の販売と応用における150年以上の専門知識を組み合わせたチームがウェイランドの成功にどのように貢献したかについても共有した。 この豊富な経験は、課題を克服し、会社のビジョンを実現するために不可欠でした。

結局のところ、Wayland Additive の焦点の中心は、電子ビームを中和することを目的とした NeuBeam プロセスにあります。 同社が「建設コストの削減において大きな変革をもたらす」可能性があると考えているのは、このプロセスだ。 こうした将来の発展を念頭に、Wayland Additive は積層造形技術の限界を押し上げることを検討しています。

NeuBeam はどのように機能しますか?

Peter Hansford 氏は、Wayland Additive の EB テクノロジーを使用して部品を作成するプロセスを説明し、NeuBeam プロセスの利点を詳しく説明しました。 レーザーが点から点へと移動して金属粉末を加熱し、それが急速な冷却とその後の材料応力を引き起こす従来のレーザー システムとは異なり、Wayland のアプローチでは、より制御および調整された冷却プロセスが可能になり、ひび割れによる材料の亀裂のリスクが軽減されます。タングステンやニッケルベースの超合金インコネル 247 などは扱いが難しい。

Wayland の EB テクノロジーには、ビームを複数の場所で複数回使用できる中和システムがあります。 実際、64 個の溶融プールを同時にアクティブにすることができます。 これにより、製造中の部品の結晶構造の変化も可能になり、必要な特定の冶金学的要件の達成に役立ちます。 これには、領域を一方向にスキャンしてから別の方向にスキャンして、より小さな結晶を作成し、構造を破壊する機能が含まれます。

Hansford 氏はさらに、プロセスを監視する高速カメラを含むプロセス内モニタリングの追加を強調します。 このモニタリングにより、正確な温度測定が可能になり、ビームと材料の間の相互作用に関するデータが得られます。 この情報を使用して、開発者はプロセスを微調整し、新しいパラメータ セットを開発できます。

興味深いことに、このシステムは「オープン システム」とも表現されており、ユーザーは重大な問題やシステム障害を引き起こすことを恐れることなく新しい処理パラメータを探索できます。 Hansford 氏は、タングステンのパラメータ セットの開発例を挙げています。このプロセスは、Wayland のシステムを使用することで大幅に迅速化され、簡素化されました。

工程内監視システムは、階層ごとの品質保証にも貢献します。 「工程内モニタリングには 2 つの側面があります。1 つは品質保証、もう 1 つは材料開発とプロセス開発です」とハンスフォード氏は述べています。 ウェイランドは人工知能の助けを借りて、大学と協力して「良い溶け方」とは何かを研究しています。

この点に関する Wayland の取り組みには、やはり大学と協力して、積層造形の品質保証基準をより深く理解するための取り組みも含まれています。 目標は、構築全体を通じて高レベルの品質を維持し、それによって欠陥の発生を最小限に抑えることです。

さまざまな金属添加プロセスをどのように比較しますか?

議論を続ける中で、私たちは電子ビーム (EB) およびレーザー粉末床融合 (LPBF) 添加剤技術の複雑さを掘り下げ、エネルギー伝達、冶金、応力、生産性の観点からそれらのニュアンスを比較しました。

ハンスフォード氏は、光子で構成されるレーザーがエネルギー測定が簡単ではないため、電力供給においてどのように異なる課題を引き起こすかを説明しました。 一方、電子ビームの場合、電力供給は主に動的であり、粒子をかき混ぜて溶融を引き起こします。 レーザーの場合、プリント ベッドに供給されるパワーやパウダーの反射率を測定するのは困難です。 LPBF を使用すると、「部品の組み立て後にどれくらいの電力が供給されたか、そしてそれが十分であるかどうかをなんとなく知ることができます。」とハンスフォード氏は言います。 同氏は、このプロセスで高品質の出力が生成される一方で、レーザーの値と光学系が時間の経過とともにどのように変化するかという問題が発生し、正確な制御が困難になると説明しています。

対照的に、ハンスフォード氏は電子ビーム技術の利点を強調した。 電子を使用すると、システムの上部と底部の電圧を識別できるため、電力供給を正確に測定でき、どのくらいの電力が伝送されているかを把握できます。 レーザーとは異なり、電子ビームは同時に複数のポイントにエネルギーを供給でき、最大複数の溶融プールが可能であり、よりゆっくりとより制御された冷却が可能になります。 これにより、プロセス全体にわたって部品が高温に保たれるため、プロセスが効率的になり、熱応力が発生しにくくなります。 Hansford 氏は、Wayland の電子ビーム技術は、最小限の応力で大型でかさばる部品を製造することに優れていると強調しました。

レーザーは、課題はあるものの、アクセスが容易で組み立てが比較的簡単であるため、広く使用されています。 ただし、プロセスではかなりの基板の厚さと、部品を所定の位置に保持するためのアンカーが必要となるため、特に大きな部品の場合、その使用には制限があります。 これらの部品には熱処理やサポートの除去などの後処理が必要となり、時間とコストが増加します。

対照的に、Wayland のプロセスではサポートが少なくて済むため、クールダウン時間が長くなりますが、パーツはリラックスしてストレスがありません。 レーザー システムとは異なり、この方法では未使用の材料であるパウダー ケーキという大きな固形物が生成されないため、時間とリソースが大幅に節約されます。 Hansford 氏は、特定のプロセスではビルド時間の 3 分の 1 がケーキの焼結に費やされる可能性があり、Wayland のアプローチがより経済的な選択肢になる可能性があると述べています。

電子ビーム積層造形アプリケーション

応用分野に移り、ハンスフォード氏は医療産業と原子力産業を例に挙げた。 医療分野では、付加技術によりインプラントを製造する企業にコスト上の利点がもたらされます。 後処理を簡素化しながらコストを 3 分の 1 に削減できれば、AM プロセスの大幅な節約と可能性が高まります。

原子力産業にとって、核融合炉用のシールドや部品などの要素の製造は、刺激的な可能性をもたらします。 もう 1 つの潜在的な用途は、水素燃料タービンの高温ブレードであり、これは添加剤法を使用して作成できる可能性があります。

その他の潜在的な進歩としては、極超音速用のセラミックや、効率を高めるための独自の銅巻線による重量物車両の電動化などがあります。 銅の合金が必要なレーザーとは異なり、電子ビーム法では純銅を使用できるため、導電性が向上します。

Hansford 氏は、Longwall Ventures や他の投資家による初期投資の重要性についてさらに詳しく説明しました。 この 300 万ポンドの資金提供により、同社は最初の施設を設立し、主要製品である Calibur を設計し、それを中心にチームを構築することが可能になりました。

この資金注入により、チームは Innovate UK の資金提供を受けて開発した概念実証を商品化するために必要な余裕を得ることができました。 その後の資金調達ラウンド (500 万ポンドのラウンドと最近の 460 万ポンドのラウンド) からの収益により、生産へのスケールアップと、それぞれがさまざまなニーズを満たすように調整された 5 つの施設への拡張が容易になりました。

注目すべきことに、同社はさまざまなラウンドにわたってさまざまな投資家からの関心を集めています。 これらには、パークウォーク・アドバイザーズ、軍事用途向けソリューションの調達と発見を専門とするメトレア、英国政府の企業ベンチャー部門である国家安全保障戦略投資基金（NSSIF）が含まれます。 NSSIFはウェイランド・アディティブを英国にとって戦略的であると見ており、2035年に就役予定のBAEシステムズ・テンペスト戦闘機での使用も含まれる。

NSSIF は、国家安全保障と防衛の両方に向けたベンチャー融資と二重用途技術に関する政府の知識のハブとしての役割を果たしています。 この組織は、政府、安全保障および防衛部門、テクノロジーおよびベンチャーキャピタル業界の知識を組み合わせています。

メトレアは特に軍にソリューションを提供することに関心を持っており、その範囲はジェット機への給油から長期にわたる調達プロセスの合理化まで多岐にわたります。 Hansford 氏が指摘するように、継続的な投資は、Wayland が英国空軍 (RAF) やカナダのエクセルギー ソリューションズを含む顧客に製品の出荷を開始するのに役立っており、これらの顧客ではシステムが石油およびガス用途に使用されています。 Wayland の技術は、近い将来ドイツと日本にも導入される予定です。

同社の課題に対処するため、ハンスフォード氏はサプライチェーンの問題、特にチップセットとセラミックの不足が要因であると特定しています。 ハンスフォード氏はまた、現在顧客の手に渡っているこのプラットフォームはまだ十分に実証されていないことも認めている。 同氏は、「技術的には、我々は良い立場にあると思う。今はフィードバックを得ている。それが我々に必要なものだ」と語った。 同社は、顧客と緊密に連携してさまざまなニーズに合わせてアプローチを調整するため、プラットフォームが今後 2 ～ 3 年で大幅に成熟すると予想しています。

ハンスフォード氏は考えをまとめ、Wayland Additive はテクノロジーを誇大宣伝することではなく、問題解決と長期的な関係の構築を目的としていると強調しました。 同社は製品を作って販売することだけに興味があるわけではありません。 彼らは、影響力のあるソリューションを作成し、顧客のニーズを満たすためにアプローチを方向転換することに興味を持っています。 彼らは、顧客が自分たちにとって有益となる潜在的な改善や革新を提案することを歓迎します。 この種の協力的で顧客志向のアプローチが、Wayland Additive の成功を今後も推進するとハンスフォードは信じています。

3D プリンティングの未来はどうなるでしょうか?

今後 10 年間に積層造形分野で取り組む必要があるエンジニアリング上の課題は何でしょうか?

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注目の画像は Calibur3 のパウダー ベッドを示しています。 Wayland Additive 経由の写真。

Michael Petch は 3DPI の編集長であり、3D プリンティングに関する数冊の本の著者です。 彼はテクノロジーカンファレンスの定期的な基調講演者であり、グラフェンやセラミックスを使用した 3D プリンティングや、食料安全保障を強化するためのテクノロジーの利用などのプレゼンテーションを行ってきました。 マイケルは、新興テクノロジーの背後にある科学とそれに伴う経済的および社会的影響に最も興味を持っています。