SLMアディティブ・マニュファクチャリング

3Dプリンティングとしても知られる積層造形は、部品や製品を作るための革新的な方法である。最も広く使われている積層造形技術のひとつが 選択的レーザー溶融（SLM）.SLMは、高出力レーザーを使用して材料粉末を選択的に融合させ、パーツを層ごとに作り上げる粉末床溶融法である。

SLMでは、複雑な内部形状を持つ複雑な形状を、3D CADデータから直接作成することができます。また、材料の無駄を最小限に抑え、従来の製造では不可能だった設計の柔軟性も提供する。しかし、SLMには特殊な装置、最適化された加工パラメーター、材料特性の理解が必要です。

この包括的なガイドでは、選択的レーザー溶融積層造形について知っておくべきことをすべて網羅しています。技術、使用される代表的な材料、用途、利点と限界、仕様、サプライヤー、コスト、他の3Dプリント方法との比較などについて説明しています。SLMのエキスパートになるためにお読みください！

SLM3Dプリンティングの仕組み

SLMは、集光されたレーザービームを使用して金属粉末を溶融・融合させる。部品は、3D CADモデルデータをスライスして、レイヤーごとに付加的に構築されます。ここでは、SLMプロセスの主要な側面について説明する：

SLM積層造形プロセスの概要

レイヤーアプローチは、鋳造や固いブロックからの機械加工といった従来の方法では作れなかった、複雑な内部空洞やトンネルを持つ複雑で有機的な形状の創造を可能にする。

SLMは、SLS（選択的レーザー焼結）、DMLS（直接金属レーザー焼結）、PBF（粉末床溶融）などの類似した名称でも呼ばれている。これらの粉末ベースのプロセスの核となる部分は基本的に同じですが、わずかな装置の違いがあります。

SLM材料

SLM積層造形技術では、さまざまな金属、合金、セラミックを加工できる。最も頻繁に使用されるのは、ステンレス鋼、コバルトクロム、チタン、アルミニウム、ニッケル基超合金などである。技術の発展に伴い、材料の選択肢は拡大し続けている。

一般的なSLM材料と用途

最も人気のあるオプションは 316Lステンレススチール粉 その強度、耐食性、高品質の仕上げ、エキゾチック合金に比べ安価であることが理由である。

SLM用の材料は、平均直径15～100ミクロンの球状粉末で、厳しい品質管理が行われる。より微細な粉末は解像度を向上させ、粗い粉末は造形速度を上げるが精度は低下する。

SLM アプリケーション

SLMは、プロトタイプ、カスタム・ツーリング、機械的特性を強化した複雑で高性能な金属部品の少量生産で評価されています。ここでは、主要産業における代表的なアプリケーションをご紹介します：

SLM積層造形の応用分野

アセンブリを単一の部品に統合し、設計を迅速にカスタマイズし、従来の製造方法と比較してリードタイムを数ヶ月から数日に短縮する能力は、これらの産業における生産アプリケーションへのSLMの利用拡大を支えている。

SLMプリンターメーカー

多くの企業が3Dプリンターとも呼ばれるSLM装置を製造している。産業グレードの業務用金属3Dプリンターの主なプレーヤーは以下の通り：

主要SLMマシン・プロバイダー

産業用SLMマシンの初期設備コストは、$15万～100TP4T100万を超えるが、利用可能なスペース、材料のニーズ、精度の要件、および予算の考慮事項に応じて適切なシステムを選択することが鍵となる。主要メーカーは、異なる造形サイズ、スピードのためのマルチレーザー構成、異なる合金での品質と再現性のための特殊なパラメーター、ソフトウェア自動化機能のレベルなどを提供しています。

SLM材料特性

SLM機で印刷された部品は、層状製造と迅速な凝固により、従来の鋳造や機械加工法に比べてユニークな特性を示す。

機械的特性の比較 - SLMと従来の製造方法

SLMプロセスによる106℃/秒を超える高い冷却速度は、準安定相を含むより微細なミクロ構造を作り出す。これにより、降伏強度と引張強度が向上するなどの優れた機械的特性とともに、粉末圧密による最大密度が得られます。高硬度と内部応力の存在により延性が制限されるため、SLM部品の伸びは一般的に低くなります。

適切な熱処理と熱間静水圧プレス（HIP）により、内部応力を緩和し、一貫性を向上させながら物理的特性をさらに最適化することができる。全体的なSLMは、99.5%以上の密度を達成し、従来の製造と本質的に同じ機能的な金属部品を得ることができます。

SLMとその他の3Dプリンティング

SLMと他の積層造形法の比較

SLMは、電子ビーム溶解（EBM）のような他の粉末溶融法とは、スキャン速度が速く、残留応力が低く、解像度が高いパーツを作成できるという点で異なります。バインダージェット3Dプリンティングでは、スピードは速いものの、より多くの後処理が必要になります。FDMおよびSLAシステムは、利用可能な材料強度において、SLMおよびEBM装置に大きく遅れをとっています。

SLM仕様

選択的レーザー溶融技術を利用する3Dプリンターは、材料、精度、製造可能な部品サイズを決定するいくつかの重要なパラメータによって指定される。

SLM機の主な仕様

これらの核となる機械パラメーターに加え、粉末を予熱するためのヒーターの組み込みや冷却速度の制御などの要素により、機械的特性を調整することができます。また、不活性ガス・チャンバー環境は、レーザーがパーツ製造ごとに金属粉末ベッドを何千回もラスターする間、酸化を防止します。

精度と表面仕上げ

アズプリントSLM部品の寸法精度と表面仕上げは、選択したパラメータ、形状の複雑さ、後処理、オペレーターの技術によって、比較的広い仕様範囲に分類される。

SLMの精度と表面仕上げ

適切なオリエンテーション、支持構造、ビルドプレートの予熱、最適化されたスキャン戦略、およびCNC機械加工や研磨などの後処理工程は、仕上がりを向上させることができる。寸法精度もまた、適切に較正された装置によって大きく左右されます。

後処理の要件

SLMシステムで部品の加工が完了した後、通常、部品を使用する前に追加の後処理が必要になります。ステップには以下が含まれる：

• パウダーケーキから部品を取り出す
• 支持構造の排除
• ストレスを和らげる熱処理
• 熱間静水圧プレス（HIP）
• 平面研削、サンドブラスト、ビーズブラスト、研磨
• 非破壊検査

後加工の目的は、表面粗さを減らし、残留応力を緩和し、微小孔を塞ぎ、寸法精度と美観を向上させることである。

具体的な手順は、材料の種類、製造意図（プロトタイプか機能部品か）、性能要件、必要な重要公差によって決定される。

コスト分析

社内でSLMアディティブ製造能力を獲得し、運用するための投資収益率を決定することは、多くの変数に依存する。

SLMコストに関する考察

総経費を、以下のような価値ドライバーと比較する：

- 軽量化、カスタマイズ、部品統合のための設計自由度

- リードタイムを数ヶ月から数日/時間に短縮

- オンデマンド製造によるサプライチェーンの簡素化

- 強度や硬度の向上などの性能強化

- 廃棄物を最小限に抑えた持続可能な生産と減点法の比較

- 航空宇宙や医療などの高価値部品の寿命向上

生産性と技術革新の利益を定量化することは非常に重要です。経験を積めば、SLMによって生産される部品1個あたりの総コストは、少量生産のCNC機械加工に匹敵するようになります。

業界標準

比較的新しい技術であるSLMアディティブ・マニュファクチャリングでは、業界全体の仕様、規範、標準の導入に向けた取り組みが現在も進行中である。

SLM標準化の状況

これらの規格に対する認証は、サプライチェーン全体でAM部品を契約する際の再現性と信頼性を保証します。また、航空宇宙や医療機器のような規制された分野での幅広い採用も可能になります。

ケーススタディ

航空宇宙ロケットからF1カーに至るまで、多くの企業がSLMの自由設計と迅速なリードタイムを活用して、より軽量で強度の高い部品を製造している。

SLM積層造形の応用例

これらのアプリケーションは、SLM部品が従来の製造制約を凌駕することを示している。より多くの企業がAM技術を採用するにつれ、イノベーションの可能性は広がり続けています。

SLM積層造形 - FAQs

SLMに関するよくある質問

このFAQは、選択的レーザー溶融積層造形に関する主な質問に対する回答をまとめたものです。SLMは、設計の完全な自由度により、新たな性能ベンチマークを解き放ちます。

SLMの未来

付加製造の限界を押し広げる産業が増えるにつれ、SLMの採用は加速し続けている。装置、ソフトウェア、材料、品質プロセスの進歩は、アプリケーションの拡大を促進する。

大手プリンターメーカーによる、特殊な多合金機械や加工パラメーターの普及に期待したい。フライス加工、穴あけ加工、検査などの補完的な工程を組み込んだハイブリッド・システムも、一貫製造のために出現している。自動化された粉末除去と回収は、コスト削減につながる。

リアルタイムのモニタリングにより、さらに厳格なプロセス制御とクローズドループの品質保証が可能になる。機械学習アルゴリズムは、建物の性能を最適化することができる。ベストプラクティスを中心に標準が固まるにつれ、ユーザーはより予測しやすくなる。