選択的レーザー溶解

直接金属レーザー焼結 （ DMLS ）またはレーザー粉末層融合 （ LPBF ）としても知られる選択的レーザー溶解 （ SLM ）は、高出力密度レーザーを使用するように設計されたラピッドプロトタイピング、3D印刷、または積層造形 （AM）技術です。金属粉を一緒に溶かして融合させます。多くのSLMにとって、選択的レーザー焼結（SLS）のサブカテゴリーであると考えられています。 SLMプロセスには、SLSとは異なり、金属材料を完全に溶融して固体の3次元部品にする機能があります。

歴史

いくつかの3D印刷技術の1つである選択的レーザー溶融は、ドイツのアーヘンにあるフラウンホーファー研究所で1995年にドイツの研究プロジェクトで始まり、いわゆる基本的なILT SLM特許DE 19649865になりました。。パーダーボルンにあるF＆S Stereolithographietechnik GmbHのDieter SchwarzeとDr. Matthias Fockeleは、ILTの研究者であるWilhelm Meiners博士とKonrad Wissenbach博士と協力しました。 2000年代初頭、F＆Sはドイツ北部のリューベックにあるMCP HEK GmbH（後にMTT Technology GmbH、SLM Solutions GmbHと命名）との商業提携を締結しました。今日、Dieter Schwarze博士はSLM Solutions GmbHと、Matthias Fockele博士はRealizer GmbHを設立しました。

ASTM International F42標準委員会は、選択的レーザー溶融を「レーザー焼結」のカテゴリーに分類しましたが、これは、選択的レーザー焼結（SLS）とは異なり、プロセスが金属を完全に均質な塊に溶融するため、これは認められた誤称です焼結プロセス。選択的レーザー溶解の別の名前は、直接金属レーザー焼結（DMLS）です。これはEOSブランドによって寄託された名前ですが、製造中に部品が焼結せずに溶融しているため、実際のプロセスでは誤解を招きます。このプロセスは、すべての点で他のSLMプロセスと非常に似ており、多くの場合、SLMプロセスと見なされます。

同様のプロセスは電子ビーム融解（EBM）で、電子ビームをエネルギー源として使用します。

処理する

DMLSはさまざまな合金を使用しており、プロトタイプを生産コンポーネントと同じ材料で作られた機能的なハードウェアにすることができます。コンポーネントはレイヤーごとに構築されるため、鋳造やその他の方法では加工できなかった有機ジオメトリ、内部フィーチャ、および難しい通路を設計することができます。 DMLSは、機能的なプロトタイプまたは最終用途の生産部品の両方として機能する、強力で耐久性のある金属部品を生産します。

このプロセスは、3D CADファイルデータを通常20〜100マイクロメートルの厚さのレイヤーにスライスし、各レイヤーの2D画像を作成することから始まります。このファイル形式は、ほとんどのレイヤーベースの3D印刷またはステレオリソグラフィー技術で使用される業界標準の.stlファイルです。次に、このファイルは、さまざまなタイプの積層造形機でファイルを解釈および構築できるようにするパラメーター、値、および物理的サポートを割り当てるファイル準備ソフトウェアパッケージに読み込まれます。

選択的レーザー融解では、コーティング機構を使用して、通常は金属である基板プレートに霧化された金属微粉末の薄い層が均一に分散され、垂直（Z）軸で移動するインデックステーブルに固定されます。これは、100万分の500未満の酸素レベルのアルゴンまたは窒素の不活性ガスの厳しく制御された雰囲気を含むチャンバー内で行われます。各レイヤーが分散されると、パーツジオメトリの各2Dスライスは、粉末を選択的に溶融することにより融合されます。これは、通常数百ワットのイッテルビウムファイバーレーザーのような高出力レーザービームで実現されます。レーザービームは、2つの高周波スキャンミラーでXおよびY方向に向けられます。レーザーエネルギーは、粒子が完全に溶融（溶接）して固体金属を形成するのに十分な強度です。このプロセスは、パーツが完成するまでレイヤーごとに繰り返されます。

DMLSマシンは、高出力の200ワットYb光ファイバーレーザーを使用しています。ビルドチャンバーエリア内には、材料供給プラットフォームとビルドプラットフォームがあり、ビルドプラットフォーム上で新しいパウダーを移動するために使用されるリコーターブレードがあります。この技術は、集束レーザービームを使用して金属粉末を局所的に融解することにより、金属粉末を固体部分に融合します。パーツは、通常20ミクロンの厚さのレイヤーを使用して、レイヤーごとに追加的に構築されます。

材料

多くの選択的レーザー溶解（SLM）マシンは、XおよびYが最大400 mm（15.748インチ）の作業スペースで動作し、最大400 mm（15.748インチ）Zまで移動できます。このプロセスで使用される材料の一部には、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、工具鋼、コバルトクロム、チタン、タングステン。 SLMは、この金属の融点と延性-脆性遷移温度が高いため、タングステン部品の製造に特に役立ちます。材料をプロセスで使用するためには、霧状（粉末状）で存在する必要があります。このプロセスで現在使用されている合金には、17-4および15-5ステンレス鋼、マルエージング鋼、コバルトクロム、インコネル625および718、アルミニウムAlSi10Mg、チタンTi6Al4Vが含まれます。直接金属レーザー焼結を使用して製造されたサンプルの機械的特性は、鋳造を使用して製造されたものとは異なります。直接金属レーザー焼結を使用して製造されたAlSiMgサンプルは、市販の鋳放しA360.0合金で構成されたものよりも、xy平面に沿って43％、z平面に沿って36％高い歩留まりを示します。 AlSiMgの降伏強度は、xy平面とz平面の両方で増加することが示されていますが、破断点伸びはビルド方向に沿って減少します。直接金属レーザー焼結サンプルの機械的特性の改善は、非常に微細な微細構造に起因しています。

用途

選択的レーザー溶解プロセスに最も適したタイプのアプリケーションは、一方で薄い壁と隠れたボイドまたはチャネルを備えた複雑な形状と構造、または一方で低ロットサイズです。固体および部分的に形成された、または格子型のジオメトリを一緒に作成して単一のオブジェクトを作成できるハイブリッドフォームを作成するときに利点を得ることができます。たとえば、股関節ステムまたは寛骨臼カップ、または表面ジオメトリによってオセオインテグレーションが強化される他の整形外科インプラントなどです。選択的レーザー溶解技術の先駆的研究の多くは、ツーリングや機械加工のための表面への物理的アクセスなど、従来の製造上の制約によりコンポーネントの設計が制限されている航空宇宙向けの軽量部品に関するものです。 SLMでは、廃棄物を除去するのではなく、部品を追加的に構築して、ほぼ正味の形状のコンポーネントを形成できます。

従来の製造技術では、セットアップ費用が比較的高くなります（金型の作成など）。 SLMは部品あたりのコストが高い（主に時間のかかるため）が、製造する部品が非常に少ない場合はお勧めします。これは、たとえば、古い機械（ビンテージカーなど）のスペアパーツや、インプラントなどの個々の製品の場合です。

NASAのマーシャル宇宙飛行センターによるテストでは、J-2XおよびRS-25ロケットエンジン用のニッケル合金から製造が困難な部品を製造する技術を実験していますが、この技術で製造した部品を製造するのは難しいことが示されています鍛造およびフライス加工された部品よりも弱いが、多くの場合、弱点である溶接の必要性を回避します。

この技術は、航空宇宙、歯科、医療、および中小規模の非常に複雑な部品を含むさまざまな産業、および直接工具インサートを製造する工具産業を含むさまざまな産業向けの直接部品の製造に使用されます。 DMLSは非常にコストと時間の効率的な技術です。この技術は、新製品の開発時間を短縮するラピッドプロトタイピングと、アセンブリと複雑な形状を簡素化するコスト削減方法としての生産製造の両方に使用されます。 250 x 250 x 325 mmの一般的なビルドエンベロープ（EOSのEOSINT M280など）と、複数のパーツを一度に「成長」させる機能により、

中国北西部工科大学も同様のシステムを使用して、航空機用の構造用チタン部品を製造しています。 EADSの調査では、このプロセスを使用することで、航空宇宙用途での材料と廃棄物が削減されることが示されています。

2013年9月5日、Elon MuskはSpaceXの再生冷却されたSuperDracoロケットエンジンチャンバーがEOS 3D金属プリンターから出現する画像をツイートし、インコネル超合金で構成されていることに注目しました。驚きの動きで、SpaceXは2014年5月にSuperDracoエンジンの飛行認定バージョンが完全に印刷され、完全に印刷された最初のロケットエンジンであることを発表しました。直接金属レーザー焼結によって付加的に製造されたニッケルと鉄の合金であるインコネルを使用して、エンジンは非常に高い温度で6,900キロパスカル（1,000 psi）のチャンバー圧で動作します。エンジンは、エンジンの故障が発生した場合の障害の伝播を防ぐために、DMLSで印刷された印刷保護ナセルに収容されています。エンジンは2014年5月に完全な認定試験を完了し、2018年4月に最初の軌道宇宙飛行を行う予定です。

複雑な部品を3Dプリントする機能は、エンジンの低質量目標を達成するための鍵でした。 Elon Musk氏によると、「非常に複雑なエンジンであり、すべての冷却チャネル、インジェクターヘッド、およびスロットルメカニズムを形成することは非常に困難でした。非常に高強度の先進合金を印刷できることは... SuperDracoエンジンをそのまま作成します。」 SuperDracoエンジンの3D印刷プロセスは、従来の鋳造部品と比較してリードタイムを劇的に短縮し、「材料特性のばらつきが少ない、優れた強度、延性、および耐破壊性を備えています」。

産業用途

航空宇宙 –特定の航空機器を保持する空気ダクト、固定具または取り付け、レーザー焼結は、商業および軍事航空宇宙の両方のニーズに適合します
製造 –レーザー焼結は、競争力のあるコストで少量のニッチ市場に役立つことができます。レーザー焼結は規模の経済に依存しないため、バッチサイズの最適化に集中する必要がありません。
医療 -医療機器は複雑で価値の高い製品です。顧客の要件を正確に満たす必要があります。これらの要件は、オペレーターの個人的な好みに起因するだけでなく、地域間で大きく異なる法的要件または規範も遵守する必要があります。これにより、多数の品種が提供され、少量のバリエーションが提供されます。
プロトタイピング –レーザー焼結は、設計と機能のプロトタイプを利用可能にすることで役立ちます。その結果、機能テストを迅速かつ柔軟に開始できます。同時に、これらのプロトタイプを使用して、潜在的な顧客の受け入れを評価できます。
ツーリング –直接プロセスにより、ツールパスの生成とEDMなどの複数の加工プロセスが不要になります。工具インサートは一晩で、またはわずか数時間で作成されます。また、設計の自由度を使用して、たとえばコンフォーマル冷却チャネルをツールに統合することにより、ツールのパフォーマンスを最適化することができます。

その他の用途

キャビティ、アンダーカット、抜き勾配のある部品
フィット、フォーム、および機能モデル
ツーリング、治具、治具
コンフォーマル冷却チャンネル
ローターとインペラー
複雑なブラケット

潜在的な

選択的レーザー溶解または積層造形は、ラピッドマニュファクチャリングまたはラピッドプロトタイピングとも呼ばれ、初期段階にあり、機械加工、鋳造、鍛造などの従来の方法と比較して、比較的少数のユーザーがいますが、この技術を使用しているものは非常に熟練しています。他のプロセスや方法と同様に、選択的なレーザー溶融は、目の前の作業に適していなければなりません。航空宇宙や医療整形外科などの市場は、製造プロセスとして技術を評価しています。受け入れの障壁は高く、コンプライアンスの問題により、長期間の認証と資格認定が必要になります。これは、競合するシステムのパフォーマンスを測定するための完全に形成された国際標準の欠如によって実証されています。問題の標準は、積層造形技術のASTM F2792-10標準用語です。

選択的レーザー焼結（SLS）との違い

SLSの使用とは、プラスチック、ガラス、セラミック、金属などのさまざまな材料に適用されるプロセスを指します。 SLMを他の3D印刷プロセスと区別するのは、粉末粒子が融合する特定のポイントまで粉末を加熱するのではなく、粉末を完全に溶かし、材料の多孔性を制御できることです。一方、SLMは、レーザーを使用して金属を完全に溶融することにより、SLSよりも一歩先に進むことができます。つまり、粉末は溶けていないが、実際には粉末粒子を均一な部分に溶融するのに十分な時間液化されます。したがって、SLMは、多孔性の低下と結晶構造の制御の強化により、部品の破損を防ぐのに役立つ強力な部品を製造できます。ただし、SLMは単一の金属粉末を使用する場合にのみ実現可能です。

利点

DMLSには、従来の製造技術よりも多くの利点があります。特別な工具を必要とせず、数時間で部品を構築できるため、ユニークな部品を迅速に生産する能力が最も明白です。さらに、DMLSではプロトタイプのより厳密なテストが可能です。 DMLSはほとんどの合金を使用できるため、プロトタイプは生産コンポーネントと同じ材料で作られた機能的なハードウェアになります。

DMLSは、生産で使用されている数少ない積層造形技術の1つでもあります。コンポーネントはレイヤーごとに構築されるため、キャストや機械加工ができない内部フィーチャやパッセージを設計することができます。複数のコンポーネントを持つ複雑なジオメトリとアセンブリは、より費用効果の高いアセンブリで部品数を減らすことができます。 DMLSは、鋳物のような特別な工具を必要としないため、短期間での生産に便利です。

制約

サイズ、特徴の詳細、表面仕上げ、およびZ軸の寸法誤差による印刷の側面は、技術を使用する前に考慮すべき要素です。ただし、材料の配置時にほとんどのフィーチャがxおよびy軸に構築されるマシンでのビルドを計画することにより、フィーチャの許容値を適切に管理できます。通常、鏡面仕上げまたは非常に滑らかな仕上げを実現するには、表面を研磨する必要があります。

プロダクションツーリングの場合、完成部品またはインサートの材料密度は、使用前に対処する必要があります。たとえば、射出成形インサートでは、表面の欠陥によりプラスチック部品に欠陥が発生し、温度と表面の問題を防ぐために、インサートを金型のベースに合わせる必要があります。

使用される材料システムに関係なく、DMLSプロセスでは、「粉末粒子サイズ、層ごとの構築シーケンス、および」のために、粗い表面仕上げが残ります。

生成された部品の金属支持構造体の除去および後処理は時間がかかるプロセスであり、RP機械によって提供されるのと同じレベルの精度を有する機械加工、EDMおよび/または研削機械の使用を必要とします。

DMLSで製造された部品の浅い表面溶融によるレーザー研磨は、高速で移動するレーザービームの使用により表面粗さを低減することができ、「表面ピークを溶融させるのに十分な熱エネルギー。溶融塊は表面に流れ込みます。表面張力、重力、レーザー圧力によって谷ができるため、粗さが減少します。」

ラピッドプロトタイピングマシンを使用する場合、バイナリの生のメッシュデータ（Solid Works、CATIA、またはその他の主要なCADプログラムから生成）のみを含む.stlファイルは、.cliおよび.sliファイル（に必要な形式）にさらに変換する必要があります非ステレオリソグラフィー機）。ソフトウェアは.stlファイルを.sliファイルに変換します。残りのプロセスと同様に、このステップに関連するコストが発生する可能性があります。

機械部品

DMLSマシンの典型的なコンポーネントには、レーザー、ローラー、焼結ピストン、取り外し可能なビルドプレート、粉体の供給、ピストンの供給、光学系およびミラーが含まれます。