概要 SLMアディティブ・マニュファクチャリング
選択的レーザー溶融（SLM）は、レーザーを使用して金属粉末材料を層ごとに選択的に溶融・融合させ、3Dオブジェクトを構築する積層造形技術である。SLMは、チタン、アルミニウム、ステンレス鋼のような反応性金属を、複雑な形状を持つ完全に緻密で機能的な部品に加工するのに適している。
SLMには、従来の製造と比較していくつかの利点がある：
SLM積層造形の利点
| ベネフィット | 説明 |
|---|---|
| デザインの自由度 | SLMは、機械加工では不可能な格子、内部チャネル、有機的形状のような複雑な形状を作り出すことができる。 |
| カスタマイズ | 部品は容易にカスタマイズでき、製造性の制約よりもむしろ機能のために最適化できる。 |
| 軽量化 | 有機的な形状と格子により、強度を保ちながら軽量化を実現 |
| 材料の節約 | SLMは、ソリッドブロックからの加工に比べ、必要な量の材料しか使用しない。 |
| 迅速なプロトタイピング | 部品はCADから直接3Dプリントできる。 |
| ジャスト・イン・タイム生産 | 必要に応じたオンデマンド印刷で在庫コストを削減 |
| サプライチェーンの回復力 | 分散製造がサプライチェーンのリスクを軽減 |
しかし、SLMにはいくつかの限界もある：
SLM積層造形の限界
| 制限 | 説明 |
|---|---|
| 機械コスト | 産業用SLM機の初期資本コストは、$10万～$1M+と高い。 |
| 素材オプション | 現在は、チタン、アルミニウム、工具鋼、超合金などの反応性金属に限定されている。 |
| 精度 | 0.1-0.2mmの標準精度は、機械加工公差よりも低い。 |
| 表面仕上げ | 印刷したままの表面は粗く、後加工が必要 |
| ビルドサイズ | 最大部品サイズはプリンターのチャンバーサイズによって制限されます。 |
| 低バッチ生産 | 小ロットやカスタム部品と大量生産の比較で最も経済的 |
| 後処理 | サポート除去、熱処理などの追加工程が必要 |
SLM3Dプリンティングの仕組み
SLMは、集光レーザービームを使用して金属粉末材料を選択的に溶融し、層ごとに融合させる粉末床融合技術である。
SLMプロセスの主なステップは以下の通りである：
SLM 3Dプリンティングプロセス
| ステップ | 説明 |
|---|---|
| 3Dモデル | 3次元CADモデルをデジタルでレイヤーにスライスする。 |
| スプレッド・パウダー | リコーターブレードがパウダーを薄く広げます。 |
| レーザー溶融 | スライスされたCADデータをもとに、レーザービームが各層をトレースし、パウダーを溶かして接着する。 |
| 下段プラットフォーム | ビルド・プラットフォームが下がり、その上にパウダーが敷き詰められる。 |
| リピートステップ | 層の溶解プロセスは、部品全体が出来上がるまで繰り返される。 |
| 部品の取り外し | 完成した3Dプリントパーツをパウダーベッドから取り出す |
| ポストプロセス | 部品は洗浄され、応力を緩和するために熱処理される。 |
SLM材料
SLMは、さまざまな反応性金属を、以下のような完全な高密度部品に加工することができる：
SLM材料
| 素材 | 主要物件 | アプリケーション |
|---|---|---|
| チタン合金 | 高い強度対重量比、生体適合性 | 航空宇宙、医療用インプラント |
| アルミニウム合金 | 軽量、高強度 | 自動車、航空宇宙 |
| ステンレス鋼 | 耐食性、高強度 | 工業用工具、船舶 |
| 工具鋼 | 高硬度、耐熱性 | 射出成形金型 |
| ニッケル超合金 | 耐熱性と耐食性 | タービンブレード、ロケットノズル |
| コバルト・クローム | 耐摩耗性、生体適合性 | 歯科インプラント、整形外科 |
最も一般的なSLM材料は、チタンとアルミニウム合金、工具鋼、ステンレス鋼です。よりエキゾチックな超合金や金属複合材もSLM技術で加工できます。
SLMデザイン・ガイドライン
SLM 3Dプリンティングのための部品設計を成功させるために、エンジニアは以下のガイドラインに従う必要があります：
SLMデザイン・ガイドライン
| ガイドライン | 説明 |
|---|---|
| オーバーハングを避ける | 撤去が必要な支柱を必要とするオーバーハングを最小限に抑える。 |
| デザイン・アンカー | パーツをビルド・プレートに固定するための小さなアンカーまたはタブを含む。 |
| 強さのためのオリエント | 機能的な方向への強度を最大にするために、部品の位置を合わせる。 |
| 部品高さの最小化 | Z-heightを最小にし、デリケートなフィーチャーが潰れないようにする。 |
| 後加工が可能 | 厳しい公差が必要な場合は、後加工のために0.1～0.3mmの許容誤差を加える。 |
| 格子設計の最適化 | セルサイズと支柱サイズを部品荷重とSLM制約に合わせて調整する |
| ベントホールを含む | 粉の閉じ込めによる欠陥を防ぐため、小さな穴を開ける。 |
| コンフォーマル・クーリング・チャンネル | 穴あけ/機械加工では不可能な複雑な内部冷却チャンネルの設計 |
| 部品を組み合わせる | アセンブリを単一部品に統合し、アセンブリ要件を削減する |
これらのガイドラインに従うことで、表面仕上げ不良、歪み、ひび割れ、パウダーの閉じ込めなど、SLM印刷によくある欠陥を避けることができます。
SLMプリンターメーカー
主なSLMシステムメーカーは以下の通り：
SLM 3Dプリンターメーカー
| 会社概要 | プリンター | 主な特徴 |
|---|---|---|
| イーオーエス | EOS M290、EOS M300 x4 | 金属3Dプリンティングのパイオニア、優れた部品特性 |
| SLMソリューション | SLM280、SLM500、SLM800 | 生産性、大量生産に適した非常に高いレーザー出力 |
| 3Dシステムズ | DMPファクトリー500 | 大量生産のためのスケーラブルなシステム |
| GEアディティブ | コンセプト・レーザーM2、Xライン2000R | GEの一員となり、信頼性の高い生産性を実現 |
| レニショー | レナム 500Q | 優れた精度、統合された品質管理システム |
SLMシステムの選択において重要な要素は、造形量、レーザー出力、材料能力、精度、ソフトウェアワークフローである。大手メーカーは定評のあるシステムを提供しているが、中国やインドからの新規参入企業も多い。
SLMプリンター価格
産業用SLMシステムは、エントリーレベルの機械で$100,000から、ハイエンドの生産システムで$1,000,000以上と、初期資本コストが高い：
SLMプリンター価格
| メーカー | プリンターモデル | ビルド・ボリューム | 価格帯 |
|---|---|---|---|
| イーオーエス | EOS M100 | 95 x 95 x 95 mm | $100k - $150k |
| SLMソリューション | SLM 125 | 125 x 125 x 125 mm | $175k - $250k |
| 3Dシステムズ | DMPファクトリー500 | 500 x 500 x 500 mm | $500k - $800k |
| GEアディティブ | コンセプトレーザー M2 シリーズ 5 | 250 x 250 x 280 mm | $700k - $900k |
| レニショー | RenAM 500M | 250 x 250 x 350 mm | $950k - $1.2M |
より大きな造形量、より高いレーザー出力、および生産性機能は、システム・コストを押し上げる。しかし、アプリケーションのニーズと生産要件に基づいて賢く選択することが重要です。
SLM施設に関する考察
SLM施設の運営を成功させるために、企業は以下を考慮すべきである：
SLM施設要因
| ファクター | 説明 |
|---|---|
| 施設費用 | プリンター、資材、施設建設費の計上 |
| マテリアルハンドリング | 粉体処理装置を設置し、作業員にPPEを提供する。 |
| 後処理 | 洗浄装置、熱処理、HIP、表面仕上げなど |
| ソフトウェア | スケジューリング、ネスティング、プロセス監視のためのワークフローソフトウェア |
| トレーニング | エンジニアには設計について、技術者にはプリンターの操作についてトレーニングを行う。 |
| 安全性 | 粉体の取り扱い手順に従い、消火装置を設置すること |
| メンテナンス | 定期的なシステムのメンテナンスと校正のスケジュール |
| 品質管理 | 寸法および材料特性の測定、再現性試験 |
| 認証 | 規制産業向けISO 9001、AS9100認証 |
経験豊富なサービス・プロバイダーを選ぶことで、航空宇宙や医療機器のような規制のあるアプリケーションのための施設のセットアップ、オペレーション、および認証をナビゲートすることができる。
SLM積層造形の利点
SLM 3Dプリンティングの主な利点は以下の通りである：
SLM積層造形の利点
| メリット | 説明 |
|---|---|
| 複雑な幾何学 | SLMは非常に複雑な有機的形状や複雑な内部格子やチャネルを製造できる |
| カスタマイズ部品 | 金型の制約があっても、顧客のニーズに合わせたカスタマイズ部品を簡単に作成できる |
| 軽量化 | 格子構造とトポロジーの最適化により、軽量で強靭な設計を実現 |
| 連結アセンブリー | 複数の部品を1つの複雑な部品に組み合わせる |
| 迅速なリードタイム | CADデータから直接オンデマンドでパーツを印刷。 |
| 廃棄物の削減 | ビレットからの機械加工に比べ、必要な量の材料のみを使用 |
| オンデマンド制作 | 顧客の近くでジャスト・イン・タイムの分散生産が可能 |
| 在庫削減 | 必要に応じて部品を印刷することで、金型、倉庫、在庫コストを削減。 |
| 高性能素材 | チタンや超合金のような先端金属を加工し、最終用途の部品にする。 |
設計の自由度、部品のカスタマイズ、分散生産能力により、SLMは航空宇宙、医療、産業、自動車用途の少量から中量の生産に理想的です。
SLM積層造形の限界
SLMにはいくつかの制限がある：
SLM積層造形の限界
| 制限 | 説明 |
|---|---|
| 機械代 | SLMプリンターの資本コストは高く、$500,000ドルを超えることが多い。 |
| 材料の入手可能性 | 現在、反応性構造金属とプラスチックに限定されている |
| 精度 | 0.1～0.2mmの標準精度はCNC加工より低い |
| 表面仕上げ | 印刷後の表面は比較的粗く、階段状になっている。 |
| 後処理 | サポート除去、機械加工、研磨がしばしば必要 |
| 印刷速度 | 通常、毎時5～100ccの製造速度が、大量生産に対するスピードの限界である。 |
| 最大部品サイズ | 通常500 x 500 x 500 mm以下のプリンター体積に制限される |
| プロセス監視 | 現場でのモニタリングの欠如は、欠陥の未検出につながる可能性がある。 |
| オペレーターの専門知識 | SLM技術者は、手順に関するかなりのトレーニングを必要とする |
| 材料費 | 粉末冶金は原料の2～5倍の価格になることもある。 |
非常に高い精度が必要な場合、非常に大きな部品、または大量生産の場合、CNC加工のようなサブトラクティブ方式の方が、SLMアディティブ方式よりも適している傾向がある。
製造業におけるSLMの役割
SLMは最も適している：
製造業におけるSLMの最適な役割
| 製造の役割 | 例 |
|---|---|
| ラピッドプロトタイピング | 迅速な設計の繰り返しと概念実証部品 |
| 少量生産 | 航空宇宙用ブラケット、インペラ、医療用インプラント |
| ブリッジ・ツーリング | 射出成形用金型を製作しながら初期ユニットを生産する |
| パート統合 | 複数の部品を1つの部品にまとめる |
| マス・カスタマイゼーション | デンタルアライナーのようなカスタマイズされた最終製品 |
| 分散製造 | 顧客の近くでオンデマンド現地生産 |
大量生産では、従来の高圧ダイカストやプラスチック射出成形の方が、SLM 3Dプリンティングよりもコスト効率が高い傾向にある。しかし、小ロット生産では、SLMが優れています。
SLM積層造形の未来
SLMは今後、以下のような形でより幅広い用途に拡大すると予想される：
SLMの未来
| トレンド | 説明 |
|---|---|
| 大型プリンター | 長さ、高さともに1メートル以上のボリュームを作る |
| マルチレーザーシステム | 1kW以上の高出力マルチレーザマシン |
| 高速化 | スキャンされたガルボレーザーによる最高毎時500ccの印刷速度 |
| 新素材 | 高温合金、MMC、新規複合材料 |
| ハイブリッド製造 | AMプロセスと減算プロセスを1つのシステムに統合 |
| ポスト処理の自動化 | サポート除去、表面仕上げの手作業を削減 |
| 工程内モニタリング | メルトプール、パウダーベッド、部品欠陥のその場モニタリング |
| シミュレーション | 物理学に基づくシミュレーションで挙動を予測し、ビルドを最適化する |
| 機械学習 | 設計、プロセス最適化、品質保証のためのAI |
| デジタル・サプライチェーン | デザインから生産までのシームレスなデジタルワークフロー |
SLMサービス・プロバイダーの選択
SLMサービス・プロバイダーを選択する際、バイヤーは以下を評価する必要がある：
SLMサービス・プロバイダーの選択
| ファクター | 説明 |
|---|---|
| 印刷機器 | 高いビームパワーと大きな造形量を持つ、評判の高い産業用メタルプリンターを探す |
| 材料 | チタン、工具鋼、ステンレス鋼のような希望する合金の加工能力 |
| 後処理 | HIP、機械加工、研磨など、印刷後のあらゆる加工を提供する。 |
| 品質手順 | ISO 9001またはAS9100認証を取得し、厳格なQAプロセスを有する。 |
| アプリケーション体験 | 航空宇宙、自動車、医療など、対象アプリケーションの専門知識とケーススタディ |
| デザインサポート | AM製造可能な部品を設計し、最適化する能力 |
| リードタイムズ | 必要な期間内にサンプル部品と生産部品を納品する能力 |
| ファイルの準備 | 標準的なCADおよびポリゴンファイル形式を設計解析で使用可能 |
| ポスト・ビルド・サービス | 洗浄、熱処理、表面仕上げ、コーティングサービス |
| 追加サービス | 検査、ラピッドプロトタイピング、ブリッジツール、鋳造、成形 |
| 価格 | 製造量に応じた競争力のあるスケーラブルな価格設定 |
| 所在地 | サプライチェーン・ロジスティクスとコミュニケーションのための近接性 |
設計から後処理まで、エンド・ツー・エンドで対応できるサービス・プロバイダーを選ぶことで、高品質な結果が保証される。ケーススタディーをチェックし、施設を訪問することは、経験を確認するのに役立ちます。
よくあるご質問
Q: SLM技術で3Dプリントできる材料は何ですか？
A：SLMは、ステンレス鋼、工具鋼、チタン合金、ニッケル超合金、アルミニウム合金、コバルトクロムなどの様々な反応性金属を加工することができます。最もポピュラーなSLM材料はチタンTi6Al4VとアルミAlSi10Mgです。
Q: SLM 3Dプリントの精度はどのくらいですか？
A: SLMでは通常0.1～0.2mm程度の精度が得られます。CNC加工の公差よりも低いですが、機械加工や研磨などの後処理によって精度を向上させることができます。0.3mm以下のフィーチャーサイズはお勧めできません。
Q: SLM積層造形はどのような産業で使用されていますか？
A: 航空宇宙、医療、歯科、自動車、工業分野は、軽量化、部品の統合、マスカスタマイゼーション、迅速な納期などの利点から、現在SLM技術の主要ユーザーとなっています。
Q:SLM印刷後にはどのような後処理が必要ですか？
A: 一般的な印刷後の加工には、サポート除去、応力除去熱処理、熱間静水圧プレス（HIP）、CNC機械加工、研磨、コーティングなどがあります。要件は、用途、材料、仕上げのニーズによって異なります。
Q:SLM金属3Dプリンティングはどのくらい高価ですか？
A: 産業用SLMシステムは、造形量、レーザー出力、機能により、$10万から$100万以上です。金属粉末の材料費は、原材料費の2～5倍になることもあります。しかし、総コストは下がってきています。
Q: SLMはオーバーハングや複雑な形状も印刷できますか？
A: Yes, SLM can print geometries like overhangs, lattices, and thin walls through the use of support structures. Careful orientation is needed to avoid deformation and balance support requirements.
Q: What software is used for SLM printing?
A: SLM printers come with proprietary software for printing. Additional software is used for design, file repair, simulation, build preparation, nesting, build management, and quality management.
Q: How long does it take to 3D print a part with SLM?
A: Print times range from hours to days depending on the part size, geometry complexity, and print parameters. For metal parts, SLM printers typically operate from 5 to 100 cc/hour build rate. Larger parts take longer.
Q: Does SLM produce safe and functional end-use metal parts?
A: Yes, with proper design and processing, SLM can produce fully dense metal parts meeting or exceeding material properties of traditionally manufactured parts for functional end-use in demanding applications.
