積層造形 SLM
目次
選択的レーザー溶解 (SLM) は、レーザーを使用して金属粉末を完全に緻密なコンポーネントに融合する金属積層造形プロセスです。このガイドでは、SLM テクノロジー、システム、材料、アプリケーション、利点、および SLM を使用して積層造形を実装する際の考慮事項について説明します。
入門 積層造形 SLM
選択的レーザー溶解 (SLM) は、高出力レーザーを利用して金属粉末粒子を層ごとに選択的に溶解および融合し、CAD データから直接完全に高密度の 3D パーツを構築する粉末床融合積層造形技術です。
SLM テクノロジーの主な特性:
- 集束レーザービームを使用して粉末金属を溶かします
- 各レイヤーの必要な場所にのみマテリアルを追加します
- 鋳造や機械加工では実現できない複雑な形状が可能
- 高密度でニアネットシェイプの金属部品を作成
- 材質にはアルミニウム、チタン、ステンレス鋼、合金が含まれます
- 小規模から中規模のパーツのビルド量
- 複雑な少量部品に最適
- 金型や金型などのハードツールの必要性を排除
- サブトラクティブ法と比較して無駄を大幅に削減
- 軽量設計と部品の統合が可能
- 設計された構造により機能の向上が可能
SLM はその機能により、革新的な製品設計と無駄のない製造に革新的なメリットをもたらします。ただし、プロセスを習得するには専門知識が必要です。
SLM 積層造形の仕組み
SLM の製造プロセスは次のとおりです。
- ビルドプレート上に金属粉末の薄い層を広げて平らにする
- 集束したレーザービームを選択的に走査して粉末を溶かす
- ビルドプラットフォームを下げて積層と溶解を繰り返す
- 完成したパーツをパウダーベッドから取り出す
- 必要に応じて部品の後処理 – 洗浄、熱処理など。
SLM で高品質で緻密な金属部品を実現するには、レーザー、スキャン パターン、チャンバー雰囲気、その他のパラメーターを正確に制御することが重要です。
SLM システムは、レーザー発生器、ビーム送出光学系、粉末送出システム、構築チャンバー、不活性ガス処理、および中央制御を備えています。パフォーマンスは、システム エンジニアリングとビルド パラメーターの調整に大きく依存します。
SLM 機器メーカー
SLM 積層造形システムの世界的な主要サプライヤーには次のような企業が含まれます。
| 会社概要 | モデル | ビルドサイズの範囲 | 材料 | 価格帯 |
|---|---|---|---|---|
| SLMソリューション | 次世代、NXG XII | 250×250×300mm <br>500×280×365mm | チタン、アルミニウム、ニッケル、鋼 | $400k – $1.5M |
| イーオーエス | M300、M400 | 250×250×325mm <br> 340×340×600mm | Ti、Al、Ni、Cu、鋼、CoCr | $500k – $1.5M |
| トルンフ | トゥループリント 3000 | 250×250×300mm <br> 500×280×365mm | Ti、Al、Ni、Cu、鋼 | $400k – $1M |
| コンセプトレーザー | Xライン2000R | 800×400×500mm | Ti、Al、Ni、鋼、CoCr | $1M+ |
| レニショー | AM400、AM500 | 250 x 250 x 350 mm <br>395×195×375mm | Ti、Al、鋼、CoCr、Cu | $500k - $800k |
システムの選択は、ビルド サイズのニーズ、材料、品質、コスト、サービス サポートによって決まります。オプションを適切に評価するには、経験豊富な SLM ソリューション プロバイダーと提携することをお勧めします。
SLM プロセスの特徴
SLM には、さまざまなプロセス パラメータ間の複雑な相互作用が含まれます。主な特徴は次のとおりです。
レーザー – パワー、波長、モード、スキャン速度、ハッチ間隔、戦略
パウダー – 材質、粒度、形状、供給量、密度、流動性、再利用
温度 – 予熱、溶解、冷却、熱応力
雰囲気 – 不活性ガスの種類、酸素含有量、流量
ビルドプレート – 材質、温度、コーティング
スキャン戦略 – ハッチングパターン、回転、境界線のアウトライン
サポート – 最小化、インターフェース、削除
後処理 – 熱処理、HIP、機械加工、仕上げ
これらのパラメータ間の関係を理解することは、最適化された機械的特性を備えた欠陥のない部品を実現するために不可欠です。
SLM 部品設計ガイドライン
SLM 積層造形を成功させるには、適切な部品設計が重要です。
- 従来の方法ではなく、AM 原則を念頭に置いた設計
- 形状を最適化して重量、材料使用量を削減し、パフォーマンスを向上させます。
- 自立角度を使用してサポートの必要性を最小限に抑えます
- 設計内でサポート インターフェイス領域を許可する
- 応力を軽減し、欠陥を避けるために部品の向きを調整する
- フィーチャの熱収縮効果を考慮する
- 未溶解粉末を除去するための内部チャネルを設計する
- オーバーハングまたは薄い部分の潜在的な反りに対処する
- 施工時の粗さを考慮した表面仕上げの設計
- 疲労性能に対する層のラインの影響を考慮する
- 粉体層から部品を取り外すための治具インターフェースを設計
- 未焼結粉末の捕捉量を最小限に抑える
シミュレーション ソフトウェアは、印刷前に複雑な SLM パーツの応力と変形を評価するのに役立ちます。
SLM 材料オプション
さまざまな合金を SLM テクノロジーで処理でき、最終的な材料特性はパラメータに依存します。
| カテゴリー | 一般合金 |
|---|---|
| チタン | Ti-6Al-4V、Ti 6242、TiAl、Ti-5553 |
| アルミニウム | AlSi10Mg、AlSi12、スカルマロイ |
| ステンレス鋼 | 316L、17-4PH、304L、4140 |
| 工具鋼 | H13、マレージング鋼、銅工具鋼 |
| ニッケル合金 | インコネル 625、718、ヘインズ 282 |
| コバルト・クローム | CoCrMo、MP1、CoCrW |
| 貴金属 | ゴールド、シルバー |
必要な材料性能を達成するには、互換性のある合金を選択し、適格な構築パラメータを調整することが不可欠です。
主要な SLM アプリケーション
SLM は、業界全体に変革をもたらす機能を実現します。
| 産業 | 典型的な SLM アプリケーション |
|---|---|
| 航空宇宙 | タービンブレード、インペラ、UAVコンポーネント |
| メディカル | 整形外科用インプラント、手術器具、患者固有の装置 |
| 自動車 | コンポーネントの軽量化、カスタムツール |
| エネルギー | 複雑なオイル/ガスバルブ、熱交換器 |
| インダストリアル | コンフォーマル冷却インサート、治具、固定具、ガイド |
| ディフェンス | ドローン、銃器、車両および防弾チョッキの部品 |
従来の製造と比較した利点は次のとおりです。
- 大規模カスタマイズ機能
- 開発期間の短縮
- 自由な設計でパフォーマンスを向上
- 部品の集約と軽量化
- 過剰な材料使用の排除
- サプライチェーンの統合
SLM 部品を重要な用途に適用する場合は、機械的性能を慎重に検証する必要があります。
の長所と短所 SLMアディティブ・マニュファクチャリング
メリット
- 積層プロセスにより自由な設計が可能に
- コストを増加させることなく複雑さを実現
- 金型や金型などのハードツールの必要性を排除
- サブアセンブリを単一のコンポーネントに統合します
- 有機的でトポロジーが最適化された構造による軽量化
- カスタマイズと少量生産
- 鋳造/機械加工と比較して開発時間の短縮
- 微細な微細構造による高い強度重量比
- サブトラクティブプロセスと比較して材料の無駄を大幅に最小限に抑えます
- ジャストインタイムおよび分散型生産
- 部品のリードタイムと在庫の削減
制限：
- 他の金属 AM プロセスよりもビルドボリュームが小さい
- CNC機械加工よりも精度と表面仕上げが劣ります
- 鋳造と比較して適格合金の選択肢が限られている
- ビルドパラメータを最適化するための大幅な試行錯誤
- 層ごとの積層による異方性材料特性
- 残留応力と亀裂欠陥の可能性
- 複雑な内部形状からの粉末除去の困難
- 最終的な特性を実現するには後処理が必要になることが多い
- ポリマー3Dプリンティングよりも設備コストが高い
- 特別な設備と不活性ガスの取り扱いが必要
SLM を適切に適用すると、他の手段では不可能な画期的なパフォーマンスが可能になります。
SLM 積層造形の導入
SLM テクノロジーを採用する際の重要な手順は次のとおりです。
- ニーズに基づいて適切なアプリケーションを特定する
- 選択した設計に対する SLM の実現可能性を確認する
- 厳格なプロセス認定プロトコルの開発
- 適切な SLM 機器への投資
- 金属粉末床プロセスの専門知識の確保
- 厳格な材料品質手順の確立
- パラメータの開発と最適化をマスターする
- 堅牢な後処理方法の実装
- 完成したコンポーネントの機械的特性の評価
低リスクのアプリケーションに重点を置いた系統的な導入計画により、SLM 追加機能を追加する際の落とし穴が最小限に抑えられます。経験豊富な SLM サービス機関またはシステム OEM と提携することで、専門知識を得ることができます。
SLM生産のコスト分析
SLM 生産の経済性には以下が含まれます。
- 機械設備費が高い
- ビルドセットアップ、後処理、品質管理の労力
- 適切な金属粉末原料の材料費
- 部品の仕上げ – 機械加工、穴あけ、バリ取りなど
- オーバーヘッド – 設備、不活性ガス、メンテナンス
- 初期の試行錯誤プロセスの開発
- 生産経験と生産量に応じてコストが低下
- 1～500個程度の容量で経済的になります
- 複雑な形状に対して最高のコストメリットを提供します
欠陥を防ぐために、信頼できるサプライヤーから認定された合金を選択することをお勧めします。サービス プロバイダーと提携すると、より迅速でリスクの低い導入パスが提供されます。
SLM と他のプロセスの比較
| プロセス | SLMとの比較 |
|---|---|
| CNC加工 | SLM は、サブトラクティブ プロセスでは機械加工できない複雑な形状を可能にします。難しい工具は必要ありません。 |
| 金属射出成形 | SLM には高額な工具コストはかかりません。 MIMよりも優れた材料特性。 |
| ダイカスト | SLM は工具コストが低くなります。サイズ制限はありません。非常に複雑な形状も実現可能。 |
| シートラミネート | SLM は、積層複合材料とは対照的に、完全に緻密で等方性の材料を作成します。 |
| バインダー・ジェット | SLM は、焼結を必要とする多孔質のバインダーを噴射した部品とは対照的に、完全に緻密なグリーン部品を作成します。 |
| DMLS | SLM は、ポリマー DMLS よりも高い精度と優れた材料特性を提供します。 |
| EBM | 電子ビーム溶解は、SLM よりもビルド レートが高くなりますが、解像度は低くなります。 |
各プロセスは、アプリケーション要件、バッチサイズ、材料、およびパフォーマンスのニーズに基づいて特定の利点を提供します。
SLM 積層造形の将来展望
SLM は、次の要因によって今後数年間で大幅な成長を遂げる準備が整っています。
- より多くの合金の利用可能性による継続的な材料拡張
- より大きなビルドボリュームにより、産業規模の生産が可能になります
- 表面仕上げの改善と公差の厳格化
- システムの信頼性と生産性の向上
- CNC加工を統合した新しいハイブリッドシステム
- コストの削減によりビジネスケースの実現可能性が向上
- さらなる最適化アルゴリズムとシミュレーション
- サポートの自動削除と後処理
- 規制産業向けの認定部品の増加
- 高度に複雑な設計の継続的な進歩
SLM は、その機能が明確な競争上の優位性を提供する、拡大するアプリケーションの主流になるでしょう。
よくあるご質問
SLM テクノロジーで加工できる材料は何ですか?
チタン、アルミニウム、ステンレス鋼、工具鋼、ニッケル合金、コバルトクロムが一般的に加工されます。
SLM の精度はどのくらいですか?
一般的な精度は約 ±0.1 ～ 0.2% で、最小フィーチャ解像度は約 100 ミクロンです。
SLM システムのコストはいくらですか?
SLM 機器の価格は、サイズ、機能、オプションに応じて $300,000 ～ $1,000,000+ です。
どのような種類の後処理が必要ですか?
熱処理、HIP、表面仕上げ、および/または機械加工が利用されてもよい。サポートの取り外しも必要です。
SLM 積層造形はどのような業界で使用されていますか?
航空宇宙、医療、自動車、産業、防衛部門は SLM を早期に採用しています。
SLM がうまく機能しない材料は何ですか?
銅や金などの反射率の高い金属は依然として課題が残っています。一部の合金の材料特性はまだ明らかになっていません。
どのような表面仕上げが可能ですか?
完成後の SLM 表面粗さは 5 ～ 15 ミクロン Ra の範囲です。仕上げを行うことでこれをさらに改善できます。
SLM ではどのくらいの大きさの部品を作成できますか?
標準ビルドボリュームの範囲は最大 500mm x 500mm x 500mm です。大型の機械は、より大型のコンポーネントに対応します。
SLM は最終用途の生産部品に適していますか?
はい、航空宇宙産業や医療産業などで、SLM は最終生産コンポーネントに使用されることが増えています。
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MET3DP Technology Co., LTDは、中国青島に本社を置く積層造形ソリューションのリーディングプロバイダーです。弊社は3Dプリンティング装置と工業用途の高性能金属粉末を専門としています。
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