選択的レーザー溶融粉末：完全ガイド

選択的レーザー溶融(SLM)は アディティブ・マニュファクチャリング または3Dプリンティング技術で、レーザーを使用して金属粉末を層ごとに固形部品に融合させる。最終的な部品の特性は、使用される金属粉末の特性によって決まります。この記事では、組成、特性、用途、仕様、価格、長所と短所など、SLMパウダーの包括的な概要を説明します。

選択的レーザー溶融粉末の概要

SLMパウダーとも呼ばれる選択的レーザー溶融粉末は、SLM積層造形プロセスで使用される原材料である。SLMでは、高出力レーザーを使用して粉末状の金属合金を溶融・融合させ、高密度の3Dパーツを作ります。

SLM粉末は、通常15ミクロンから45ミクロンの微細な金属粉末である。最も一般的なSLMパウダーは、アルミニウム、チタン、ニッケル、コバルト、ステンレス鋼をベースにした合金である。パウダーの組成と粒度分布は、選択的レーザー溶融によって印刷される部品の特性を決定する。

適切なSLM粉末を選択することは、所望の機械的特性、精度、表面仕上げ、微細構造を持つ高品質の部品を製造する上で非常に重要です。このガイドでは、さまざまな種類のSLMパウダー、その用途、仕様、価格、長所と短所、世界の主要サプライヤーに関する詳細情報を提供します。

SLM粉体の主な特徴

• 15ミクロンから45ミクロンまでの超微粒子パウダーサイズによる精密なレーザー溶融
• 粉末流動性のための球状モルフォロジー
• 化学的に純粋な組成により、欠陥を最小限に抑える
• 粒度分布の制御により偏析を防止
• 不活性ガス噴霧製造法
• 特性向上のための合金添加
• 流動性と溶融性を向上させるために、独自のコーティングが施されている場合がある。

表1：選択的レーザー溶融粉末の種類

SLM粉末の組成

SLMパウダーは、ガスアトマイズを用いて様々な合金から作られる球状の金属粉末である。この組成によって、印刷部品の材料特性が決まります。

表2：一般的なSLM粉末合金の組成

SLM粉末に含まれる主な合金元素には次のようなものがある：

• アルミニウム - 融点を下げ、熱伝導率を上げる。
• シリコン - 流動性と溶接性を向上させる。
• マグネシウム - 強化剤
• チタン - 生体適合性、高強度
• アルミニウム - チタン合金のαおよびβ安定剤
• バナジウム - チタン合金のベータ安定剤
• ニッケル - 耐食性、延性
• クロム - 耐酸化性、耐食性
• 鉄 - 超合金の強度に寄与する。
• ニオブ - 超合金の強化元素
• モリブデン - 超合金の固溶体強化
• コバルト - 高温強度を高める

微量不純物は、SLM印刷部品の欠陥を減らすために最小化される。

SLM粉末の特性

SLMパウダーの特性は、3Dプリントパーツの特性に直接影響します。望まれる特性には、良好な流動性、高純度、最適化された粒度分布などがあります。

表3：SLM粉末の主要特性

さらに、SLM用パウダーは、偏析の問題を防ぐために、粒度分布が狭い範囲で最適化されているのが特徴です。ほとんどのSLM用パウダーのD10とD90は10～20ミクロンです。

パウダーベッドの密度、流動性、広がり、リサイクル性などのSLMパウダーの特性は、印刷パーツの品質を左右します。パウダーは、これらの要素のバランスをとるように設計されます。

SLM粉末の用途

SLMパウダーは、さまざまな産業で機能的な金属部品の印刷に使用されている：

表4：選択的レーザー溶融粉末の用途

部品製造におけるSLMの主な利点は以下の通りである：

• 鋳造や機械加工では不可能な複雑な形状を作り出す能力
• 金型不要のオンデマンドカスタマイズ部品
• 機能に最適化した設計による軽量化
• アセンブリの単一部品への統合
• 設計から部品までの迅速な納期

SLMは、あらゆる産業における最終用途の金属部品の少量から中量の生産に適している。

SLM粉末の仕様

SLMパウダーは、組成、粒度分布、モルフォロジー、流動特性、見かけ密度、汚染レベル、微細構造などの面で厳しい仕様を満たさなければならない。

表5：選択的レーザー溶融粉末の代表的仕様

主要なSLM粉末サプライヤーは、顧客に納入する前に、粉末バッチごとにこれらのパラメータが満たされていることを確認するために、社内に粉末特性評価設備を備えている。

選択的レーザー溶融粉末の価格

SLMパウダーのコストは、合金組成、品質、サプライヤー、購入量、地域によって異なります。代表的なパウダーの価格を以下に示します：

表6：一般的なSLM粉末合金の価格範囲

価格はチタンのような反応性合金が最も高く、アルミニウムやステンレスのような汎用合金が最も低い。航空宇宙グレードは従来の合金よりも高い。SLMパウダーサプライヤーから一括購入割引が利用可能です。

全体として、材料費は金属AMの総部品コストの15-30%を占める。この材料コストの大部分は粉末そのものが占めている。未溶融粉末の再利用を最適化することで、平均部品コストを下げることができます。

SLM粉末の主要サプライヤー

多くの企業が、SLM積層造形用に特別に設計されたガスアトマイズ金属粉末を提供している。代表的なグローバルサプライヤーには以下のようなものがある：

表7：選択的レーザー溶融粉末の主要サプライヤー

これらの企業は、SLMパウダーが高品質のパーツを3Dプリントするための厳しい要件を満たすことを保証するために、噴霧化技術と高度な特性評価に投資してきた。SLM用に調整された幅広い材料オプションを提供しています。

SLM粉体の長所と短所

表8：選択的レーザー溶融粉末の利点と限界

長所

• SLMパウダーの15～45ミクロンという微細さにより、非常に高解像度で小さなフィーチャーを印刷することができる。
• 球状の粒子形状と良好な流動性により、印刷中のパウダーの凝集や供給の問題を防ぎます。
• 高い化学純度により、印刷部品の介在物やボイドなどの欠陥を最小限に抑えることができます。
• 粒度分布は偏析を防ぎ、均質な溶融を確保するために最適化されている。
• 専門業者は、SLM用途に合わせた組成のカスタム合金を設計する。
• 不活性ガス噴霧は粉末の酸化を避ける。

短所

• 従来の製造方法に比べ、SLM用に確立された合金は少ない。
• チタンのような反応性合金は、汚染を防ぐために特別な取り扱いを必要とし、それがコスト増につながる。
• 微粉末であるSLM材料は、保管中や取り扱い中の吸湿に敏感である。
• 金属粉は粉塵爆発や健康被害のような危険性があり、安全上の注意が必要である。
• SLM合金は、特殊な製造工程のため、標準的な粉末グレードよりもかなり高価である。
• 合金の中には、供給元が非常に少なく、入手可能性と材料の品質が制限されるものがある。
• 未溶解の粉末は単純に廃棄することはできず、持続可能性とコストの観点から再利用する必要がある。

SLMパウダーの選び方

アプリケーションに最適なSLMパウダーを選択するには、以下のような要素を考慮する必要がある：

• 部品機能 - 機械的要件、応力、動作条件
• 合金特性 - 強度、硬度、延性、耐熱性
• 後処理の必要性 - 熱処理応答性、機械加工性
• プロセス要因 - パウダーベッド密度、レーザー吸収、流動性
• コスト - 材料価格、設備への影響

部品の機能は主に合金選択の指針になります。応力のかかる重要な部品には、最大限の密度と機械的特性を達成できる粉末が要求されます。それほど重要でないプロトタイピングの用途では、より柔軟性が求められます。

印刷速度、達成可能な精度、表面仕上げなどのプロセス要素もパウダーによって異なります。候補となる材料を実際のプリンターでベンチマークすることで、最適な材料を特定することができます。

コストが重要な役割を果たす。航空宇宙用途の高性能合金は、従来のグレードよりもはるかに高価です。ユニークな合金は、単一のサプライヤーからしか入手できない場合があります。

アプリケーションの要件と材料の能力およびコストを徹底的に評価することで、最適なSLMパウダーを選択することができます。

SLMパウダーの保管と取り扱い

SLMパウダーの慎重な取り扱いと保管は、材料の劣化を防ぎ、高品質の印刷部品を確保するために不可欠である：

• 未開封の容器は、日光や湿気を避け、涼しく乾燥した場所に保管すること。過度の熱を避ける。
• 酸化を防ぐため、粉末容器は酸素濃度が10ppm以下の不活性グローブボックス内でのみ開封する。
• 静電気の蓄積を避けるため、適切なアースを用いてグローブボックス内で粉体を移送する。ニトリル手袋を着用する。
• 保管中は容器をしっかりと密封すること。プラスチック袋ではなく、元の容器のみを使用する。
• 大量に粉体を使用する場合は、不活性ガス・システム内蔵の機械で保管する。
• 再使用する前に、粉体を推奨メッシュサイズでふるい、凝集物を砕き、汚染物質を除去する。
• 必要に応じて、粉体乾燥オーブンや真空熱脱気装置を使って水分レベルを下げる。
• 使用済みの粉末を廃棄する場合は、空気中の粉塵の危険を防ぐために水で濡らし、有害廃棄物として処理する。
• PPEや爆発防止など、金属微粉末の取り扱いに関するすべての安全注意事項に従ってください。

パウダーを適切に管理することで、印刷工程間の一貫性を維持し、最大80-90%の未溶融パウダーを再利用することができます。これにより、原材料費を最小限に抑えながら、歩留まりを最大化することができます。

選択的レーザー溶融パウダーFAQ

Q: SLMパウダーの典型的な粒度範囲はどのくらいですか？

A: ほとんどのSLMパウダーの粒径は15～45ミクロンで、大半は20～35ミクロンです。より微細なパウダーは解像度を向上させますが、より大きなサイズは細部や精度を損ないます。

Q：SLMパウダーはどのように製造されるのですか？

A: SLMパウダーは不活性ガスアトマイズによって製造され、溶融合金の流れは液滴に分解され、球状の粒子に凝固します。これにより粉末の酸化を避けることができます。

Q: 粉末の「見かけ密度」と「タップ密度」とはどういう意味ですか？

A: 見かけ密度（Apparent Density）とは、通常の条件下で測定した嵩密度。タップ密度とは、粉末試料を機械的にタッピン グして圧縮した後に得られる密度のことです。密度を高くすることで、パウダーベッドの特性が向上する。

Q:なぜSLM粉末は流動特性が重要なのですか？

A: 粉末の流動性と散布性が良いため、均一な層が形成され、安定した溶融が可能になり、凝集の問題を防ぐことができます。球状の粒子は、不規則な形状に比べて流動性を高めます。

Q：SLMパウダーは印刷後、どのように再利用されるのですか？

A: 未溶融パウダーは、ふるいにかけて凝集物を砕き、真空乾燥して水分を減らし、新しいパウダーとブレンドしてから再利用します。これにより、80%以上のリサイクル率を実現しています。

Q: SLMパウダーを取り扱う際には、どのような安全上の注意が必要ですか？

A: 金属粉は爆発、火災、健康への危険をもたらす。適切なPPE、十分な換気、適切な接地、不活性ガス用グローブボックスを使用する。粉体を屋外に絶対に流さないでください。