直接金属レーザー焼結（DMLS）またはレーザー粉末床融合（LPBF）としても知られる選択的レーザー溶融（SLM）は、積層造形で使用される粉末床融合技術である。SLMは、高出力レーザーを使用して金属粉末を融合・溶融させ、層ごとに完全に緻密な3D物体を製造する。
SLMは、従来から製造されている金属部品に匹敵する機械的特性を備えた複雑な形状を製造できるため、最も広く使用されている金属3Dプリント技術の1つです。この包括的なガイドでは、SLM技術の概要、アプリケーション、材料、装置サプライヤー、始めるためのヒントについて説明します。
概要 SLMアディティブ・マニュファクチャリング
SLMは、レーザーを使用して金属粉末粒子を選択的に溶融し、層ごとに融合させる粉末床融合3Dプリントプロセスです。SLMの仕組みの概要：
SLM積層造形プロセスの概要
| プロセスステップ | 説明 |
|---|---|
| 3Dモデル制作 | 目的の部品のCADモデルが作成され、STLファイルに変換されます。 |
| スライシング | スライス・ソフトウェアは、STLファイルをレイヤーに分割し、プリンター用の造形指示を生成する。 |
| パウダー・スプレッディング | リコートブレードは、ビルドプレート上に金属粉末の薄い層を広げる。 |
| レーザースキャン | 高出力レーザーが各層のパターンにある粉末粒子を溶かして融合させ、下の層に接着させる。 |
| 下部ビルド・プラットフォーム | ビルド・プラットフォームが下がり、新しいパウダー層が上に撒かれる。 |
| レイヤリングを繰り返す | 全パーツが層ごとに積み上げられるまで、この手順を繰り返す。 |
| 部品の取り外し | 未融合のパウダーを取り除くと、3Dプリントされたパーツが現れる。 |
| 後処理 | 部品は、サンディング、研磨、熱処理などの追加仕上げが必要な場合がある。 |
SLM積層造形の主な利点には次のようなものがある：
- 従来の方法では不可能だった非常に複雑な形状の製造が可能。
- 粉末を再利用できるため、材料の無駄が少ない。
- 連結されたアセンブリや軽量構造物は、一体として印刷することができる。
- カスタム金型や治具の必要性を減らすことで、市場投入までの時間を短縮。
- 部品はジェネレーティブ・デザインによってカスタマイズされ、最適なパフォーマンスを発揮するように設計することができる。
- デジタル在庫 – 部品は必要に応じてオンデマンドで印刷できます。
- 高い寸法精度と再現性。
SLMは、航空宇宙、医療、自動車といった業界の企業が、従来製造されてきた金属部品と同等以上の機械的特性を持つ金属部品を製造することを可能にする。
SLM材料
選択的レーザー溶融を使用して、さまざまな金属や金属合金を加工することができます。最も一般的に使用されるSLM材料は以下の通りです：
SLM材料の概要
| 素材 | 主要物件 | 用途 |
|---|---|---|
| ステンレス鋼（316L、17-4PH） | 高強度、耐食性 | 航空宇宙、自動車、医療 |
| アルミニウム合金 (AlSi10Mg, AlSi7Mg) | 軽量で丈夫 | 航空宇宙、自動車 |
| チタン合金 (Ti6Al4V, TiAl) | 軽量、生体適合性 | 航空宇宙、医療 |
| コバルトクロム（CoCr） | 生体適合性、高硬度 | 歯科、医療用インプラント |
| ニッケル合金（インコネル） | 耐熱性、高強度 | 航空宇宙、自動車 |
| 工具鋼 | 高硬度、耐摩耗性 | 金型 |
最も広く使用されているSLM材料は、その強度対重量比、耐食性、コストからアルミニウムである。チタンは、生体適合性と高強度が重要な航空宇宙用途や医療用途に人気があります。
さまざまな金属粉があり、粒径は10～45ミクロンです。一般的に、より微細なパウダーほど高い解像度と精度が得られます。粉末粒子は通常、最適な流動性と造形プロセス中の緻密な充填のために球形をしています。
SLM部品の精度と表面仕上げ
SLMは、多くの最終用途に適した高精度と表面仕上げの部品を製造することができます。以下は、SLM部品特性の典型的な値です：
SLMの精度と表面仕上げ
| 属性 | 代表値 |
|---|---|
| 寸法精度 | ±0.1～0.2%、公差±0.03～0.05mm |
| 決議 | 20-100ミクロン |
| 表面粗さ（施工時） | Ra 10-25ミクロン、Rz 50-100ミクロン |
| 多孔性 | ほぼ完全な密度(>99%) |
| 機械的特性 | 従来から製造されている部品に適合可能 |
精度は、レーザービームの直径、粉末のサイズ、層の厚さなどの要因に影響されます。より薄いレイヤー（20～50ミクロン）は、より高い精度と微細なディテールを可能にします。
SLMの表面粗さは比較的高い。表面仕上げを改善するために、サンディング、研磨、ショットピーニング、コーティングなど、さまざまな仕上げ技術を使用できます。
SLMデザイン・ガイドライン
SLM積層造形をうまく活用するには、プロセスの制約を念頭に置いてコンポーネントを設計する必要があります。以下に、SLM設計の主なガイドラインを示します：
SLMデザイン・ガイドライン
| デザイン | ガイドライン |
|---|---|
| オーバーハング | 45°以上のオーバーハングにはサポートが必要な場合があります。 |
| 壁厚 | 最小肉厚0.3～0.5mmを推奨。 |
| 穴/開口部 | 丸穴の最低直径は1mm。涙型の穴も考慮する。 |
| 公差 | 高精度アプリケーション用に±0.1～0.2mmの公差で設計。 |
| 表面仕上げ | 高い表面仕上げが必要な場合は、後処理を考慮すること。 |
| サポート | 自立アングルを使うか、向きを最適化してサポートを最小限にする。 |
| テキスト | 文字の高さは最低1mmとし、薄くはみ出さないようにする。 |
| パート・オリエンテーション | 最小限のサポート、オーバーハング、ビルドタイムで最適化する。 |
DfAM（付加製造のための設計）の原則に従うことで、SLMの設計の自由度を最大限に高め、サブトラクティブ法では不可能な高度に最適化されたコンポーネントを製造することができます。
SLMアプリケーション
SLMの能力は、以下のような幅広い産業における金属部品やプロトタイプの製造に適している：
SLMの主な用途
| 産業 | 用途 | コンポーネント |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | 航空機部品、エンジン | タービンブレード、ロケットノズル、熱交換器 |
| メディカル | 歯科修復、インプラント | クラウン、ブリッジ、矯正用インプラント |
| 自動車 | パフォーマンス・パーツ、カスタム・デザイン | 軽量シャシー、カスタムアルミパーツ |
| 工具 | 射出成形金型、鋳造パターン | 金型用コンフォーマル・クーリング・チャンネル |
| 消費者 | カスタマイズ製品 | ジュエリー、ガジェット、デコラティブ・アート |
| ディフェンス | 複雑な兵器システム | 軽量銃器レシーバー |
軽量化、部品の統合、マスカスタマイゼーション、ラピッドプロトタイピング、性能向上などの利点により、SLMはこれらの業界全体で魅力的なものとなっています。メタルアディティブはまた、新たなレベルの設計の複雑性と最適化を可能にします。
SLM装置の概要
SLMマシンは、3Dモデルに基づいて層ごとに選択的に金属粉末を溶融するためにレーザーを利用します。最新のSLMシステムの主なコンポーネントと機能をご紹介します：
SLMマシンコンポーネント
| コンポーネント | 説明 |
|---|---|
| レーザー光源 | 最大500W、波長1μm前後のファイバーレーザーが一般的。粉末を溶かすエネルギーを提供します。 |
| スキャンシステム | レーザーの動きを制御する高速ガルバノミラーまたはスキャニングアレイ。 |
| パウダーベッド | レイヤーを塗布するとビルドプラットフォームが下がる。パウダーはリコーターブレードまたはパウダーディスペンサーで散布する。 |
| パウダーサプライ | パウダー供給容器とバルブを一体化し、ビルドエリアに供給。 |
| 不活性ガスフロー | アルゴンまたは窒素雰囲気で酸化を防ぐ。 |
| コントロール | モデルの作成とスライス、パラメータの選択、システムの制御を行うソフトウェア。 |
| 後処理 | 粉体回収装置、ふるい分け装置、部品洗浄装置を含む場合もある。 |
SLM装置の能力
| パラメータ | 典型的な範囲 |
|---|---|
| ビルド・エンベロープ | 100-500 mm x 100-500 mm x 100-500 mm |
| 層の厚さ | 20-100 μm |
| レーザースポットサイズ | 50-120 μm |
| スキャン速度 | 最大10 m/s |
| 最小フィーチャーサイズ | 150-300 μm |
| 材料 | ステンレス、アルミニウム、チタン、インコネル、その他 |
ハイエンドのSLMマシンは、より大きな造形量、より高速な造形を可能にする高いレーザー出力、マルチレーザー機能などの特徴を備えている。マシンは、オフィスサイズのデスクトッププリンターから大規模な生産システムまで、サプライヤーから入手可能である。
SLMの後処理
SLMで印刷された金属部品は、望ましい仕上げと特性を得るために後処理を必要とすることが多い。典型的な後処理工程には次のようなものがある：
SLMの後処理
| プロセス | 説明 |
|---|---|
| サポートの取り外し | 部品から支持構造を取り除く。 |
| 熱応力の緩和 | 熱処理により、製造工程で発生する残留応力を緩和する。 |
| 表面仕上げ | サンディング、グラインディング、ポリッシング、ショットピーニングによる表面仕上げ。 |
| 熱間静水圧プレス | 高温・高圧をかけて密度を高め、特性を向上させる。 |
| 機械加工 | より高精度のフィーチャーやサーフェスのための従来のCNC加工。 |
| コーティング | 耐摩耗性、耐腐食性などの特殊コーティングを施す。 |
具体的な後処理は、材料、最終用途の要件、希望する特性によって異なる。必要に応じて、微細構造や機械的挙動を修正するために、アニーリングのような処理を行うこともできる。
SLMサプライヤーの選び方
SLM技術を採用する際には、適切なSLMサプライヤーを選択することが重要である。ここでは、SLM装置サプライヤーを選択する際の主な検討事項を紹介する：
SLMサプライヤーの選択
| 考察 | 詳細 |
|---|---|
| ビルド・エンベロープ | 生産量を部品サイズのニーズに合わせましょう。大型機は初期費用が高くなります。 |
| 材料 | ステンレス鋼、チタンなど、印刷を目的とする材料が機械に用意されていることを確認してください。 |
| 精度／表面仕上げ | アプリケーションの要件に対応できる技術を選択する。後処理が必要な場合があります。 |
| プロダクションとプロトタイピング | プロトタイピング用の低コストのデスクトップモデル。製造用の大型生産システム。 |
| パラメーター/コントロール | 使用可能なビルドパラメータ、材料プロファイル、ソフトウェア機能を確認します。 |
| トレーニングとサポート | トレーニング・プログラムや迅速なテクニカル・サポートに注目。 |
| 後処理装置 | 粉体回収、表面仕上げ、熱処理のための設備投資が必要。 |
| ソフトウェア・エコシステム | ファイル作成、プロセスシミュレーション、MESソフトウェア統合の能力を評価する。 |
| コンプライアンスと認証 | 航空宇宙、医療、自動車など、規制の厳しい分野では重要。 |
SLMサプライヤーと協力し、特定の生産と部品のニーズに合った適切な装置を選択する。多くのサプライヤーは、品質と材料特性を評価するためのサンプル部品を提供しています。
SLM装置サプライヤーとコスト
金属積層造形用のSLMシステムを提供する装置サプライヤーは多岐にわたる。ここでは、主要なSLMサプライヤーの概要と、おおよそのシステム価格をご紹介します：
SLMサプライヤー
| サプライヤー | サンプルシステム | おおよその費用 |
|---|---|---|
| イーオーエス | EOS M290、EOS M400 | $500,000 – $1,500,000 |
| SLMソリューション | SLM®500、SLM®800 | $400,000 – $1,000,000 |
| 3Dシステムズ | DMPファクトリー500 | $500,000 – $800,000 |
| GEアディティブ | コンセプト・レーザー M2 シリーズ 5 | $700,000 – $1,200,000 |
| レニショー | RenAM 500M | $500,000 – $750,000 |
デスクトップSLMシステム
| サプライヤー | サンプルシステム | おおよその費用 |
|---|---|---|
| マークフォージド | メタルX | $100,000 – $200,000 |
| デスクトップ・メタル | スタジオ・システム2 | $120,000 – $200,000 |
| 追加 | フォームアップ350 | $100,000 – $300,000 |
少量生産、プロトタイプのニーズ、または限られた予算には、デスクトップSLMシステムが10万ドル以下から利用可能です。大型の生産システムは40万ドルから100万ドル以上です。
SLMプリンタのインストールと操作
SLMプリンターを設置し、運用するために必要な主な条件は以下の通り：
SLMプリンターの設置と操作
| 考察 | 詳細 |
|---|---|
| スペース | 装置の設置面積が大きい。粉体ハンドリング、後処理のためのスペースを確保する。 |
| パワー | 220V-480Vの電源が必要で、冷却のためにチラーが必要な場合がある。 |
| 不活性ガス | バックアップタンク付きの窒素またはアルゴン供給。 |
| 換気 | プロセス排出物を排出するための排煙システム。 |
| 人材派遣 | ファイルの準備、ビルドのセットアップ、パウダーの取り扱いなど、オペレーターを教育。 |
| 安全性 | 粉体の取り扱い、化学物質の取り扱い、レーザーの使用に関するプロトコルに従うこと。PPE。 |
| メンテナンス | サプライヤーのガイドラインに従い、日常的および定期的なメンテナンスが必要。 |
| パラメータ最適化 | SLMプロセスパラメータの最適化に必要なテストビルド。 |
| 部品の取り外し | 手動で取り外す場合は、パウダー回収システムまたはグローブボックスを使用してください。 |
設備業者と緊密に協力して設備を準備し、スタッフを訓練する。プリンターや後処理部品の操作に習熟するには、学習曲線がかかることが予想されます。
SLM印刷の利点と限界
ここでは、選択的レーザー溶融技術の主な利点と限界について概説する：
SLMの利点
- 複雑な形状と軽量構造
- 高い強度と表面硬度
- 短い生産リードタイム
- 最小限の廃棄物
- デジタル・フレキシブルでカスタマイズ可能なデザイン
SLMの限界
- 部品当たりの製造コストが比較的高い
- 建物外形に基づく限定サイズ
- 後処理が必要な場合が多い
- 異方性材料特性
- 高性能アプリケーションに必要な資格
- 金属以外の限られた素材の選択
適切な用途であれば、SLMは、鋳造、CNC機械加工、その他の金属部品の従来の製造プロセスよりも大きな利点を提供することができます。この技術は、生産能力を拡大するために進歩し続けている。
SLMと他の金属3Dプリンティングプロセスとの比較
SLMは、利用可能ないくつかの金属積層造形技術の1つです。ここでは、他の主要な金属3Dプリンティングプロセスとの比較について説明します：
金属3Dプリントプロセスの比較
| SLM | 体外式除細動器 | バインダー・ジェット | |
|---|---|---|---|
| 電源 | レーザー | 金属ワイヤー供給 | 接着剤 |
| ビルド・アプローチ | パウダーベッド | 蒸着溶接 | パウダーベッド＋バインダー |
| 材料 | Al、Ti、CoCr、その他 | Al、Ti、ステンレス、その他 | ステンレス鋼、超合金 |
| 精度 | 高い | 中程度 | 中～高 |
| 表面仕上げ | ラフ～中程度 | ラフ | スムーズ |
| ビルド・サイズ | 小～中 | 中型から大型 | 中型から大型 |
| 生産性 | 低～中程度 | 高い | 高い |
SLMは、優れた機械的特性を持つ小型から中型の精密部品に適している。DEDは高速で、非常に大きなパーツを製造できる。バインダージェッティングは生産性が高いが、材料特性に制限がある。
SLM金属3Dプリントのコスト
ここでは、選択的レーザー溶融の典型的なコスト要因の概要を示す：
SLMコストドライバー
- 機械設備の購入（10万ドル – 100万ドル以上）
- 材料費（50～500ドル/kgパウダー）
- オペレーションと後処理のための労働力
- パウダーハンドリング、仕上げ用の追加設備
- 換気、ユーティリティなど設備のアップグレード
- 生産量（生産量が少ないとコストが高くなる）
SLMで印刷された金属部品は、上記の要因によって1個あたり2,000ドルから10,000ドル以上になります。SLMは、利点がコストを上回る少量から中量の場合に使用する。CNC加工のようなサブトラクティブ方式は、生産量が多いほど経済的です。
SLM業界標準
新興技術であるSLM積層造形は、品質、再現性、部品認定をサポートするための規格開発が活発な分野である。主な標準化活動には次のようなものがあります：
SLM規格開発
| 標準化団体 | 取り組み例 |
|---|---|
| ASTM | 粉末床処理、試験方法、チタン合金のような材料に関する規格。 |
| 国際標準化機構 | 用語、設計、プロセス、試験方法、資格認定原則に関する基準。 |
| SAE | レーザー粉末床溶融のための航空宇宙材料とプロセス仕様。 |
| API | 石油・ガス用途のプロセス標準の開発。 |
| アメリカ機械学会 | 設計、材料、工程認定に関するガイド。 |
| アメリカ・メイクス＆アンプ; ANSI | 金属AMの標準化ロードマップ。 |
規制産業がSLM AM技術を自信を持って採用するためには、認証と規格への準拠が不可欠です。規格の継続的な開発により、SLMは産業界全体で幅広く採用されるようになります。
メタルSLM印刷を始める
選択的レーザー溶融技術を模索している企業向けに、開始するための推奨ステップをいくつか紹介する：
SLMを始めるためのヒント
- SLM材料とアプリケーションの適合性を評価する
- SLM機サプライヤーの能力を比較する
- 機器、設置、材料、トレーニング費用の予算
- 可能であれば、経験豊富なAMプロダクション・パートナーと始める
- SLMの強度に合わせた試験部品の設計
- 配向、支持体、層厚などのプロセスパラメーターを最適化する。
- 機械的特性が要件を満たしていることを検証する
- 仕上げのための後処理の必要性を評価する
- 社内の専門知識とトレーニング・プログラムの開発
- AM設計リソースとソフトウェアツールの活用
SLMサービス・プロバイダーと提携することで、初期リスクを最小限に抑え、技術に関する高度な専門知識を利用することができます。経験を積むにつれ、SLMを社内に導入することで、最大の生産管理とIP保護が可能になります。
よくある質問
Q: SLMで加工できる材料は何ですか？
A: 最も一般的なSLM材料は、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、コバルトクロム、ニッケル合金、工具鋼です。新しい材料オプションは継続的に改良されています。
Q:SLMで印刷した部品の一般的な精度はどのくらいですか？
A: 精度は一般的に±0.1～0.2%程度で、±0.03～0.05mmの公差が可能です。20ミクロンまでの薄層であれば、より高い精度が得られます。
Q：SLMは後処理が必要ですか？
A: 望みの特性や外観を得るためには、サポート除去、表面仕上げ、熱処理、機械加工などの後処理が必要になることが多い。
Q：SLMで印刷した金属部品の密度はどのくらいですか？
A：SLMは、使用する材料に最適化されたパラメータがあれば、ほぼ完全な高密度（99％密度）の部品を製造することができます。
Q: SLMにはどのようなデザインが最適ですか？
A: 格子や有機的な形状を持つ複雑で軽量な形状は、SLMの設計自由度から最も恩恵を受けます。薄かったり狭かったりする非支持フィーチャーは避けてください。
Q：SLMで大きな部品を印刷することは可能ですか？
A: 最大サイズはプリンターの外形寸法によって制限され、通常は500x500x500mm以下です。より大きなシステムも開発中ですが、トレードオフがあります。
Q：品質は従来の製造業と比べてどうですか？
A: パラメーターの最適化と後処理により、SLM部品は従来の方法と同等の材料特性を得ることができます。ただし、部品の認定は必要です。
Q：コストに最も影響する要因は何ですか？
A: 機械設備、材料費、人件費、処理量、後処理の複雑さが主な要因です。これらを最適化することで、コストを削減することができる。
