SLM (選択的レーザー溶解) は、金属部品用の高度な積層造形技術です。このガイドでは、SLM システム、プロセス、材料、アプリケーション、利点、およびこのテクノロジーを採用する際の考慮事項について詳しく説明します。
選択的レーザー溶解の概要
選択的レーザー溶解 (SLM) は、高出力レーザーを使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、3D CAD データから直接完全に高密度の金属部品を構築する粉末床融合積層造形プロセスです。
主な特徴 SLMテクノロジー:
- レーザーを使用して粉末金属を選択的に溶解します
- 必要な場合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
- 緻密でボイドのない金属コンポーネントを作成します
- 一般的な材料には、アルミニウム、チタン、スチール、ニッケル合金が含まれます。
- 小型から中型の部品サイズに対応可能
- 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
- サブトラクティブ方式と比較して無駄を削減
- 設計された構造によりパフォーマンスの向上が可能
SLM は、革新的な製品設計と無駄のない製造のための革新的な機能を提供します。ただし、このプロセスを習得するには専門知識が必要です。
選択的レーザー溶融の仕組み
SLM プロセスには以下が含まれます。
- ビルドプレート上に金属粉末の薄い層を広げる
- 集束レーザービームを走査して粉末を選択的に溶融する
- ビルドプレートを下げて積層と溶解を繰り返す
- 完成した部品をパウダーベッドから取り出す
- 必要に応じてパーツを後処理する
エネルギー入力、スキャンパターン、温度、雰囲気条件を正確に制御することは、欠陥のない高密度の部品を実現するために重要です。
SLM システムは、レーザー、光学系、粉末供給、構築チャンバー、不活性ガス処理、および制御を備えています。パフォーマンスはシステム設計と構築パラメータに大きく依存します。
SLMテクノロジー サプライヤー
主要な SLM システム メーカーには次のようなものがあります。
| 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> 800×400×500mm | チタン、アルミニウム、ニッケル、鋼 | $400,000 – $1,500,000 |
| イーオーエス | M300、M400 | 250×250×325mm <br> 340×340×600mm | Ti、Al、Ni、Cu、鋼、CoCr | $500,000 – $1,500,000 |
| 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 | $400,000 – $1,000,000 |
| コンセプトレーザー | Xライン2000R | 800×400×500mm | Ti、Al、Ni、鋼、CoCr | $1,000,000+ |
| レニショー | AM400、AM500 | 250 x 250 x 350 mm <br> 395×195×375mm | Ti、Al、鋼、CoCr、Cu | $500,000 – $800,000 |
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 – 出力、波長、モード、スキャン速度、ハッチング距離、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 – 必要性、インターフェース、取り外しを最小限に抑える
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、欠陥のない部品と最適な機械的特性を実現するために不可欠です。
SLMデザイン・ガイドライン
SLM 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積層造形を念頭に置いた設計
- 形状を最適化して重量、素材を削減し、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
- オーバーハングや薄い部分の潜在的な反りを考慮する
- 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
- 未加工部品の治具インターフェースを設計する
- 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、複雑な SLM 部品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
SLM ではさまざまな合金を加工でき、材料特性は使用する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、適切な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 | 代表的なアプリケーション |
|---|---|
| 航空宇宙 | タービンブレード、インペラ、衛星および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、兵器、車両、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テクノロジー
メリット
- 積層造形により自由な設計が可能に
- 追加コストなしで複雑さを実現
- ハードツールの必要性を排除
- サブアセンブリを単一の部品に統合します
- トポロジ最適化構造による軽量化
- カスタマイズと少量生産
- 鋳造/機械加工に比べて開発時間を短縮
- 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
- 機械加工に比べて寸法精度や表面粗さが劣る
- 認定合金と鋳造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
- レイヤリングによる異方性材料特性
- 残留応力と亀裂の可能性
- 複雑な形状からの粉末除去の課題
- 後処理が必要な場合が多い
- 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テクノロジーの採用
SLM の実装には次のような課題が伴います。
- 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
- 材料品質手順と基準の確立
- ビルド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、落とし穴を最小限に抑えます。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
- 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、光熱費、メンテナンス
- 初期の試行錯誤の開発時間
- 設計の最適化と生産経験によりコストが削減
- 1～500個の少量生産で経済的
- 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
欠陥を避けるために、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を提供できます。
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 により、高額な工具コストが削減されます。 MIMよりも優れた材料特性。より少ない量が実現可能。 |
| 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バインダー噴射部品と比較して、完全に緻密なグリーン部品を提供します。 |
| DMLS | SLM は、DMLS ポリマー システム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。 |
各プロセスには、特定の用途、バッチサイズ、材料、コスト目標、およびパフォーマンス要件に基づいた利点があります。
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
- 表面仕上げと公差の向上
- システムの信頼性と生産性の向上
- 機械加工を融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スケーリングが向上
- さらなる最適化アルゴリズムとシミュレーション
- 自動化された後処理統合
- 規制産業向けの認定部品の増加
- 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 ではどのような材料を処理できますか?
チタン合金とアルミニウム合金が最も一般的です。工具鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、コバルトクロムも加工されます。
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 機器のコストはいくらですか?
SLM システムの範囲は、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、機械加工などの後工程が必要になる場合があります。
SLM を使用している業界は何ですか?
航空宇宙、医療、自動車、工業、防衛業界は 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。いくつかの材料特性はまだ明らかになっていません。
一般的な表面仕上げとは何ですか?
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?
最大 500mm x 500mm x 500mm の体積が一般的です。大型の機械は、より大きな部品に対応します。
SLM は量産製造に適していますか?
はい、航空宇宙産業や医療産業などで、SLM は最終用途の生産部品に使用されることが増えています。
SLM と EBM を比較するとどうですか?
SLM はより詳細なディテールを実現できますが、EBM はビルド速度が速くなります。どちらも完全に高密度の金属部品を提供します。
