選択的レーザー溶融

選択的レーザー溶融と溶融池における熱伝達の模式図

選択的レーザー溶融（SLM）は、熱源と粉末床を用いて金属部品を製造する金属積層造形（AM）技術の多くの商標名[ 1 ]の一つです。直接金属レーザー焼結（DMLS）とも呼ばれ、ASTM標準用語では粉末床溶融（PBF ）です。PBFは、高出力密度レーザーを用いて金属粉末を溶融・融合させるラピッドプロトタイピング、3Dプリンティング、または積層造形技術です。 [ 2 ] [ 3 ]

歴史

選択的レーザー溶融（SLM）は、1995年にドイツのアーヘンにあるフラウンホーファー研究所ILTで開始された、数ある独自の粉末床溶融技術の一つです。ヴィルヘルム・マイナーズ、コンラッド・ヴィッセンバッハ、アンドレス・ガッサーによる研究プロジェクトは、いわゆるILT SLM基本特許を生み出しました。[ 4 ]

ASTM International F42規格委員会は、選択的レーザー溶融法を「レーザー焼結」のカテゴリーに分類していますが、これは誤称であることが知られています。選択的レーザー焼結（SLS）は真の焼結プロセスであり、金属を完全に溶融して均質で高密度の塊にするプロセスです。選択的レーザー溶融法の別名は直接金属レーザー焼結（DMLS）で、EOSブランドによって命名されていますが、実際のプロセスとは誤解を招く恐れがあります。なぜなら、部品は製造中に溶融されるのであって焼結されるのではないからです。つまり、部品は完全に高密度であることを意味します。[ 5 ]

同様のプロセスに電子ビーム溶融（EBM）があり、これは電子ビームをエネルギー源として用いる。[ 6 ]

プロセス

選択的レーザー溶融法（SLM）は様々な合金を加工できるため、試作品を量産部品と同じ材料で作製し、機能的なハードウェアとして使用することができます。部品は層ごとに製造されるため、鋳造や機械加工といった従来の製造技術では実現できなかった複雑な自由形状、内部構造、そして複雑な内部通路を設計することが可能です。SLMは、機能的な試作品としても最終用途の生産部品としても十分に機能する、高密度で耐久性のある金属部品を製造します。[ 7 ]

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層にスライスし、各層の2D断面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3Dプリンティング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、このファイルはファイル準備ソフトウェアパッケージに読み込まれ、パラメータ、値、および物理的なサポートが割り当てられます。これにより、ファイルは様々なタイプの積層造形装置で解釈・構築できるようになります。

選択的レーザー溶融法では、再コーティング機構を用いて、通常は金属である基板プレート上に、霧状金属粉末の薄層が均一に分散されます。基板プレートは、垂直（Z）軸に移動するインデックスプラットフォームに固定されています。この工程は、酸素濃度が1000ppm未満のアルゴンまたは窒素などの不活性ガス雰囲気が厳密に制御されたチャンバー内で行われます。各層が分散されると、部品形状の各2Dスライスは、粉末を選択的に溶融することで溶融されます。これは、通常は数百ワットのイッテルビウムファイバーレーザーなどの高出力レーザービームによって行われます。レーザービームは、2つの高周波走査ミラーを介してX方向とY方向に照射され、Fシータレンズ配置を用いて層に沿って焦点が維持されます。レーザーエネルギーは強力かつ十分に集中しているため、粒子が完全に溶融（溶融）して固体構造を形成します。このプロセスは、部品が完成するまで層ごとに繰り返されます。[ 8 ]

SLM装置は主に高出力Yb光ファイバーレーザーを使用し、標準レーザー出力は100～1000Wです。造形チャンバー内には、材料供給プラットフォームと造形プラットフォームに加え、造形プラットフォーム全体に新しい粉末を均一に塗布するためのリコーターシステム（ブレードまたはローラー）が備えられています。部品は積層造形され、通常は30～60マイクロメートルの厚さの層が積層されます。[ 9 ]

  • 印刷完了（余分な粉末を除去）
    印刷完了（余分な粉末を除去）

材料

選択的レーザー溶融（SLM）機は、X、Y、Z方向に最大1m（39.37インチ）の作業空間で動作できる。[ 10 ] [ 11 ]このプロセスで使用される材料には、Ni基超合金、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、タングステンなどがある。タングステン金属は融点が高く、延性脆性遷移温度も高いため、SLMはタングステン部品の製造に特に有用である。[ 12 ]プロセスで材料を使用するには、アトマイズされた状態（粉末状態）で存在する必要がある。これらの粉末は一般にガスアトマイズされたプレアロイであり、工業規模で球状粉末を得るための最も経済的なプロセスである。球形であることが望まれるのは、高い流動性と充填密度が保証され、粉末層の迅速かつ再現性のある広がりにつながるためである。内部多孔度が低く球形度の高い粉末は、プラズマ噴霧法と粉末球状化法によって製造される。[ 13 ]流動性をさらに最適化するために、通常、15～45 μm または 20～63 μm のような微粒子の割合が低い狭い粒度分布が採用される。このプロセスで現在使用されている合金には、AISI 316L、AISI 304、C67、F53、H13、17-4 PH 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、銅ベース合金（CW510 真鍮、エコ真鍮、青銅）[ 14 ]アルミニウム[ 15 ] AlSi10Mg、およびチタンTi6Al4V [ 16 ]がある。 選択的レーザー溶融法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る。[ 17 ]直接金属レーザー焼結法で製造されたAlSiMgサンプルは、市販の鋳放しA360.0合金で製造されたものと比較して、xy平面に沿って製造した場合は43%、z平面に沿って製造した場合は36%高い降伏強度を示します。[ 17 ] 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る一方で、破断伸びは構築方向に沿って減少します。[ 17 ]直接金属レーザー焼結法サンプルの機械的特性のこれらの改善は、非常に微細な微細構造に起因しています。[ 17 ]

さらに、業界からの圧力により、AM108 を含むさらに多くの超合金粉末が利用可能な処理に追加されました。材料特性の変化をもたらすのは印刷操作と配向だけではありません。熱間等静圧 (HIP) 熱処理とショットピーニングを介した必要な後処理も、等軸鋳造または鍛造材料と比較して機械的特性を顕著なレベルに変化させます。首都大学東京で行われた研究に基づくと、鍛造または鋳造材料と比較して、付加印刷された Ni ベースの超合金のクリープ破断と延性は一般的に低いことが示されています。[ 18 ]印刷の方向性は、粒径とともに主要な影響要因です。さらに、表面状態により、付加印刷されたインコネル 718 で行われた研究で見られるように、摩耗特性は通常優れています。この研究では、レーザー出力が密度と微細構造に与える影響も実証されました。[ 19 ]レーザー処理パラメータ中に生成される材料密度は、密度が増加すると HIP 処理後の亀裂の再開が減少するなど、亀裂挙動にさらに影響を与える可能性があります。設計に使用するための機械的特性を最終決定するには、印刷から必要な印刷後処理までの材料の全体的な概要を把握することが重要です。

概要と利点

SLM は、研究と産業界の両方で実装されている、急速に発展しているプロセスです。この進歩は、カスタム特性を作成できるだけでなく、材料の使用量を削減し、製造技術では達成できない設計の自由度を高めることができるため、材料科学と産業界の両方にとって非常に重要です。選択的レーザー溶融は、フルタイムの材料およびプロセスエンジニアとして非常に役立ちます。材料の製造で迅速なターンアラウンドが必要であることや、複雑な形状が必要な特定のアプリケーションがあることなどの要求は、業界で発生する一般的な問題です。 SLM があれば、部品を作成して販売するプロセスだけでなく、特性が現場で必要なものに一致することを確認するプロセスが大幅に改善されます。 SLM で発生する現在の課題は、処理可能な材料の制限、未開発のプロセス設定、および亀裂や多孔性などの冶金欠陥があることです。[ 20 ]将来の課題は、アルミニウム合金の加工により、十分に高密度の部品を作成できないことです。[ 20 ]アルミニウム粉末は軽量で、反射率と熱伝導率が高く、SLMで使用されるファイバーレーザーの波長範囲でのレーザー吸収率が低い。[ 20 ]

これらの課題は、材料が融合される際にどのように相互作用するかについてさらに研究することで改善できます。

欠陥形成

3Dプリンティングによって生成される主要な欠陥と微細構造現象の概略図。SLM、特に固体状態の変化、熱流体力学、粒子動力学に関連しています。[ 21 ]

SLMは積層造形に大きな成功をもたらしましたが、粉末状の媒体を集中レーザーで溶融するプロセスは、様々なメカニズムによって様々な微細構造欠陥を引き起こし、製造された部品の全体的な機能と強度に悪影響を及ぼす可能性があります。研究されている欠陥は数多くありますが、このセクションではSLMによって発生する可能性のある主要な欠陥のいくつかについて見ていきます。

最も一般的な機械的欠陥には、溶融不良（LOF）と凝固領域における割れの2つがあります。LOFは、凝集した固体ではなく、構造内にガスが閉じ込められることで発生します。これらの欠陥は、適切な出力のレーザー光源を使用しなかったり、粉末表面を走査する速度が速すぎたりすることで金属が十分に溶融せず、凝固のための強固な結合環境が形成されないことで発生します。割れは、低い熱伝導率と高い熱膨張係数によって、材料内の結合を破壊するほどの高い内部応力が発生する別の機械的欠陥であり、特に転位が存在する粒界に沿って顕著です。[ 22 ]

さらに、SLMは溶融金属から構造物を凝固させるものの、システムの熱流体力学によって不均一な組成や意図しない多孔性が生じることが多く、印刷された構造物の全体的な強度や疲労寿命に累積的に影響を及ぼす可能性があります。例えば、指向性レーザービームは、狭い「キーホール」領域や半溶融金属全体に直接照射されると対流を誘発し、材料全体の組成に影響を与える可能性があります。 [ 23 ]同様に、凝固過程において、樹枝状微細構造は温度勾配に沿って異なる速度で進行し、材料内に異なる偏析プロファイルを形成することが分かっています。 [ 24 ]最終的に、これらの熱流体力学現象は印刷された材料内に望ましくない不整合を生み出すため、これらの影響を軽減するためのさらなる研究が引き続き必要となるでしょう。

SLMを用いてサンプルを印刷する場合、気孔形成は非常に重要な欠陥です。気孔は、レーザースキャン速度の変化時に表面に深いキーホール状の窪みが急速に形成され、その後崩壊することで形成されることが明らかになっています。この窪みは凝固する金属に不活性シールドガスを閉じ込めます。[ 25 ]気孔形成のもう一つの考えられる原因は、オーステナイト系ステンレス鋼で頻繁に見られる、いわゆるボール効果です。[ 26 ]表面の濡れ性が低く、エネルギー入力が低い場合、エネルギーを最小限に抑えるために溶融経路が分断される可能性があります。その結果、複数の球状の溶融点が形成され、凝固後に気孔が残ります。[ 27 ] [ 28 ]

最後に、レーザービームから生じる二次的影響が、意図せず構造特性に影響を与える可能性があります。一例として、レーザービームが粉末床を走査する際に、固化した下層が繰り返し加熱され、バルク構造内に二次相析出物が発生することが挙げられます。析出物の組成によっては、この影響によりバルク材料から重要な元素が除去されたり、印刷された構造が脆化したりする可能性があります。 [ 29 ]さらに、酸化物を含む粉末床では、レーザーの出力と発生する対流によって酸化物が蒸発し、他の場所に「飛び散る」可能性があります。これらの酸化物は蓄積して非濡れ性を示すため、スラグが生成されます。スラグは、組成物中の酸化物の有益な性質を奪うだけでなく、材料の割れにメカニズム的に有利な微小環境を作り出します。

機械的特性

選択的レーザー溶融（SLM）プロセスでは、高い温度勾配が生じ、固液界面に非平衡状態が生じます。これにより、溶融池が液体から固体へと相転移を起こし、急速な凝固が起こります。その結果、非平衡相の形成や微細構造の変化など、様々な影響が生じる可能性があります。

上記の理由により、SLM法で製造された合金の機械的特性は、従来の方法で製造された合金のそのままの状態では、大幅に異なる可能性があります。SLM法で製造された合金の中心的な特徴は、機械的特性における大きな異方性です。鋳造金属の結晶粒構造は通常、ほぼ均一で等方性の結晶粒を特徴としますが、SLM法で製造された合金は、構築方向に結晶粒が大きく伸びています。[ 30 ]結晶粒構造の異方性は、欠陥の分布、亀裂の伝播方向、そして最終的には機械的特性の異方性と関連しています。

一方、SLMに関連する特殊な熱運動学的特性により、このプロセスに特有の多くの新しい微細構造構造が存在します。新しい加工技術であるSLMは、従来の技術では実現が困難な独特な微細構造を生み出すことができます。

ニッケル基超合金

Ti6-Al-4Vの微細構造。鍛造品（a）、SLM水平（b）、SLM垂直（c）、および900℃、102MPaで熱処理後のSLM水平（d）

ニッケル合金では、クリープ耐性、極限引張強度、靭性の向上が報告されている。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]析出硬化型ニッケルクロム合金であるインコネルIN625は、650 ̊Cおよび800 ̊Cの高温で、鍛造IN625と同等かそれ以上のクリープ強度を示した。しかし、SLM製造のIN625は、クリープ試験条件下では延性が劣っていた。周期的な熱処理を導入することで、SLMおよび鍛造IN625の両方でいくらかの強度が向上した。合金の追加強度の量は、一般にγ相（650 ̊C）およびδ相（800 ̊C）のマトリックス体積率に比例した。 [ 31 ]

しかしながら、SLM法で製造された合金は、高温での繰り返し荷重に対する疲労強度と硬度が、鋳造合金や鍛造合金に比べて著しく劣る傾向があります。別の超合金であるインコネルIN718については、研究者らは、積層造形された材料は積層方向と平行に配向した大きな柱状結晶粒を示すのに対し、鍛造材料は顕著な組織を示さない微細結晶粒構造を示すことを明らかにしました。[ 33 ]

SLM法によるニッケル超合金の積層造形は、その複雑な組成のために依然として大きな課題を抱えています。複数の合金元素と高いアルミニウム/チタン含有率を有するこれらの材料は、SLM法で固化する際に様々な二次相を形成し、加工性に影響を与え、構造の脆弱化につ​​ながります。

鉄基合金（ステンレス鋼）

SLM 316L材の微小亀裂近傍領域のSEM画像。部分的に亀裂が入った粒界（GB）と溶融プール境界（MPB）が見える。

ステンレス鋼グレード316Lは、低炭素含有量（< 0.03%）を特徴とするオーステナイト系鉄系合金です。316L鋼の600℃および650℃での引張試験およびクリープ試験の結果、SLM鋼は鍛造鋼と比較して約10倍低いクリープひずみで最小クリープ速度に達することがわかりました。[ 34 ]セル構造は、特に最初のクリープ段階における変形挙動の違いの主な原因であると考えられており、主に材料の加工硬化能力を制限するためです。AM試験片の極限引張強度（UTS）も、ひずみ硬化がわずかであるため低くなります。[ 35 ]

SLM法で製造された材料の破壊は主に粒界で発生する。粒界損傷は割れにつながり、ひいては材料の破壊に至る。変形は粒界における析出物の出現によって引き起こされ、加速される。SLM法で製造された316L鋼の高い積層欠陥エネルギー（SFE）も、そのクリープ挙動に寄与していると考えられる。[ 34 ]

アプリケーション

選択的レーザー溶融プロセスに最も適した用途は、一方では薄壁や隠れた空隙またはチャネルを有する複雑な形状や構造、他方では少量生産である。ハイブリッド形状の製造においては、ソリッド形状と部分成形形状または格子形状形状を組み合わせて一つの物体を製造できる利点がある。例えば、股関節ステムや寛骨臼カップ、その他の整形外科用インプラントでは、表面形状によって骨結合が強化される。選択的レーザー溶融技術の先駆的研究の多くは、航空宇宙用の軽量部品に関するものである[ 36 ]。これらの部品では、工具や機械加工用表面への物理的アクセスといった従来の製造上の制約によって部品の設計が制限される。SLMでは、廃材を除去するのではなく、積層造形で部品を製造し、ニアネットシェイプの部品を形成することができる[ 37 ] 。

従来の大量生産技術（例：射出成形、鍛造、精密鋳造）は、初期設定コストが比較的高いのが現状です。一方、SLM（Small Machinery Licensing：形状記憶合金）は、時間的制約と設備全体の資本コストのため、部品単価が高額です。しかしながら、少量生産の特注カスタマイズ部品であれば、このプロセスは依然として多くの用途において魅力的な選択肢です。例えば、旧式の機器や機械（例：ヴィンテージカー）のスペアパーツや交換部品、あるいは個々の患者向けに設計されたインプラントのようなカスタマイズ製品などが挙げられます。

NASAのマーシャル宇宙飛行センターでは、 J-2XとRS-25ロケットエンジン用のニッケル合金から製造が難しい部品を製造する技術を実験しており、その技術で作られた製造が難しい部品は鍛造やフライス加工された部品よりも多少弱いものの、弱点である溶接の必要性を回避できることがわかった。[ 36 ]

この技術は、航空宇宙、歯科、医療など、小型から中型の高度に複雑な部品を扱う様々な産業向けの直接部品の製造に利用されています。また、金型業界では、直接金型インサートや短リードタイムを必要とする部品の製造にも利用されています。この技術は、新製品の開発期間を短縮するラピッドプロトタイピングと、アセンブリや複雑な形状を簡素化するコスト削減手法としての量産製造の両方に利用されています。[ 38 ]

中国西北工科大学は、同様のシステムを使用して航空機の構造用チタン部品を製造しています。[ 39 ] EADSの研究では、このプロセスの使用により、航空宇宙用途における材料と廃棄物が削減されることが示されています。[ 40 ]

2013年9月5日、イーロン・マスクは、EOS 3D金属プリンターから出てくるSpaceXの再生冷却SuperDracoロケットエンジンチャンバーの画像をツイートし、それがインコネル超合金で作られていると述べた。[ 41 ] SpaceXは驚きの動きで、2014年5月にSuperDracoエンジンの飛行資格のあるバージョンは完全に3Dプリントされており、初の完全に3Dプリントされたロケットエンジンであると発表した。直接金属レーザー焼結法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、エンジンは超高温で6,900キロパスカル（1,000psi）のチャンバー圧力で動作する。エンジンは、エンジン故障の際に障害の伝播を防ぐため、同様にDMLSで3Dプリントされた保護ナセルに収められている。[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]このエンジンは2014年5月に完全な適格性試験を完了し、2018年4月に最初の軌道宇宙飛行を行う予定である。 [ 45 ]

複雑な部品を3Dプリントできる能力は、エンジンの軽量化という目標を達成する上で鍵となりました。イーロン・マスク氏によると、「これは非常に複雑なエンジンであり、冷却チャネル、インジェクターヘッド、スロットル機構のすべてを形成するのは非常に困難でした。非常に高強度の先進合金をプリントできることは、スーパードラコエンジンを現状のまま製造する上で非常に重要でした。」[ 46 ] スーパードラコエンジンの3Dプリントプロセスは、従来の鋳造部品と比較してリードタイムを大幅に短縮し、「優れた強度、延性、耐破壊性を備え、材料特性のばらつきが少ない」とのことです。[ 47 ]

また、2018年には、FDAはSLM法を用いてチタンで作られた初の3Dプリント脊椎インプラントを承認しました。[ 48 ]

産業アプリケーション

  • 航空宇宙– 特定の航空機器を保持するエアダクト、固定具、マウントなど、レーザー焼結は商業航空宇宙と軍事航空宇宙の両方のニーズに適合します。
  • エネルギー– レーザー溶融は、革新的なポンプインペラ、高圧反応器、入手困難なスペアパーツの製造に使用できます。
  • 製造– レーザー焼結は、少量生産のニッチ市場にも競争力のあるコストで対応できます。レーザー焼結は規模の経済性に依存しないため、バッチサイズの最適化に重点を置く必要がありません。
  • 医療– 医療機器は複雑で高付加価値な製品であり、顧客の要求に厳密に応える必要があります。これらの要求は、事業者の個人的な嗜好だけでなく、地域によって大きく異なる法的要件や規範にも準拠する必要があります。そのため、提供される製品の種類は多岐にわたり、少量生産に留まっています。さらに、インプラントを製造するための生分解性金属の積層造形に関する研究は、ますます注目を集めています。[ 49 ]
  • プロトタイピング– レーザー焼結法は、設計プロトタイプと機能プロトタイプの作成を容易にします。これにより、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は顧客の潜在的な受容性を評価するためにも使用できます。[ 50 ]
  • 工具– ダイレクトプロセスにより、工具パスの生成や放電加工などの複数の加工工程が不要になります。工具インサートは一晩、あるいは数時間で製作できます。また、設計の自由度を活かして、例えば工具にコンフォーマル冷却チャネルを組み込むなど、工具性能を最適化することも可能になります。 [ 51 ]

その他のアプリケーション

  • キャビティ、アンダーカット、ドラフト角度のある部品
  • フィット、フォーム、機能モデル
  • 工具、固定具、治具
  • コンフォーマル冷却チャネル
  • ローターとインペラー
  • 複雑な括弧[ 52 ]

レーザー溶融は化学構造（純金属、その酸化物および炭化物）と物理的構造（均質、合金、複合材料、金鉄合金、金コバルト合金、金ニッケル合金）を生成することができる。[ 53 ]

潜在的

選択的レーザー溶融法（Selective Laser Melting）、または付加製造法（Additive Manufacturing）、あるいはラピッドマニュファクチャリング、ラピッドプロトタイピングとも呼ばれるこの技術は、機械加工、鋳造、鍛造といった従来の金属加工法に比べて、まだ初期段階にあり、利用者も比較的少ないのが現状です。他のプロセスや手法と同様に、選択的レーザー溶融法も対象となる作業に適したものでなければなりません。航空宇宙や整形外科医療などの市場では、この技術を製造プロセスとして評価してきました。しかし、導入障壁は高く、コンプライアンスの問題から認証や適格性確認に長期間を要しています。これは、競合システムの性能を測定するための国際規格が未整備であることからも明らかです。ここで問題となる規格は、ASTM F2792-10「付加製造技術に関する標準用語」です。

選択的レーザー焼結法（SLS）との違い

SLSの使用は、プラスチック、ガラス、セラミックス、金属などの様々な材料に適用されるプロセスを指します。[ 54 ] SLMが他の3D印刷プロセスと異なるのは、粉末を特定の点まで加熱して粉末が融合するのではなく、完全に溶融する機能であり、材料の多孔性を制御することができます。一方、SLMはSLSよりも一歩進んで、レーザーを使用して金属を完全に溶融します。つまり、粉末は融合されるのではなく、粉末粒子が均質な部品に溶けるのに十分な時間液化されます。したがって、SLMは多孔性が低く結晶構造をより細かく制御できるため、部品の破損を防ぐのに役立つより強力な部品を製造できます。さらに、格子不整合が最小限に抑えられ、一致する結晶面に沿った原子パッキングが類似しており、熱力学的に安定している特定の種類のナノ粒子を金属粉末に導入して結晶粒微細化核として機能させ、亀裂のない等軸の細粒微細構造を実現することができる。[ 55 ]しかし、SLMは単一の金属粉末を使用する場合にのみ実現可能である。

利点

SLMは従来の製造技術に比べて多くの利点があります。最も顕著な利点は、特別な工具を必要とせず、わずか数時間で部品を製造できるため、ユニークな部品を迅速に製造できることです。

SLMは、生産現場で使用されている数少ない積層造形技術の一つです。部品を層ごとに積層するため、鋳造や機械加工では不可能な内部構造や通路を設計することが可能です。複雑な形状や複数の部品で構成されるアセンブリを簡素化し、軽量化と部品点数の削減を実現することで、よりコスト効率の高い組立を実現できます。SLMは鋳造のような特殊な工具を必要としないため、少量生産に適しています。

環境への影響

SLM プロセスの環境への影響には、さまざまなコンポーネント、環境、材料に関する考慮事項が考えられます。まず、500 個を超えるパーツで構成されるプリンターの製造に使用された総エネルギーは、標準的な Renishaw AM250 の場合約 124,000 MJ になります。[ 56 ]最も重要な材料は鋼であり、100% リサイクル可能であることに注目することが重要です。[ 57 ]リサイクル性を真に活用するには、クレードル ツー クレードル アプローチを実施して、すべての鋼製パーツが使用済みになったときに分解して適切に廃棄されるようにすることができます。プリンターの中で最もエネルギーを消費するのは電気の使用であり、これは高出力レーザー、チラー、構成、パーツ分離のすべてがこれに寄与するためです。パーツの体積が少ない、アクティブ時間が多い、アクティブ アイドル時間が多い (クーラーが稼働している)、 放電加工 (EDM)など、すべてがエネルギー使用量を増加させます。使用中の現場でのエネルギー消費量は、高い方では部品 1 個あたり約 640 MJ ですが、より効率的な使用では部品 1 個あたり約 40 MJ です。この場合、環境への配慮を最適化できる主な要因は、ガスや石炭から生成される電力ではなく、完全に再生可能なエネルギーを使用することです。ライフサイクル全体のエネルギー消費量を考えると、エネルギー集約型では効率の低い印刷プロセスで部品 1 個あたり合計 2400 MJ 以上になりますが、より効率的なプロセスでは部品 1 個あたり 140 MJ まで低くなることがあります。最終的に、製造されるすべての部品を考慮した総エネルギー消費量は多くの要因に左右されますが、印刷段階、より具体的には長いアイドル時間中および EDM による後処理部品除去中に、ほぼ常に支配的になります。この例外は、機械が常に使用されているわけではなく、使用頻度も低い研究環境です。この場合は、一次処理および製造からのエネルギー消費量が支配的になります。

輸送コストは製造工場や消費者によって異なりますが、SLMライフサイクルにおける他の大きな影響要因と比較すると、これらの値は無視できるほど小さい（1%未満）ことがよくあります。無視できるものの、変動することもあるその他の要因としては、不活性ガスの使用、材料（粉末）の廃棄、使用材料、霧化、機械部品の廃棄などがあります。

製造される部品とその用途に応じて、SLM は複雑な寸法の軽量部品の製造に役立ちます。これにより、エネルギー集約型の後処理機械加工 (EDM やコンピュータ数値制御 (CNC) 機械加工など) が削減され、部品の重量が減ります。[ 58 ] [ 59 ]多くの場合、直接比較するには、2 つの異なるプロセスで製造された部品を見る必要があります。一例として、インベストメント鋳造と SLMで製造されたタービンブレードがあり、同じ部品の製造にそれぞれ 10853.34 kWh と 10181.57 kWh が使用されました。[ 60 ]また、従来の製造では 7,325 kgCO2 の排出量がありましたが、AM では 7,027 kgCO2 の排出量がありました。つまり、この特定のシナリオでは AM が 4% 有利であり、これは世界中の 25,578 機の航空機に対しては大きな効果を発揮する可能性があります。[ 61 ]もう1つの例としては、油圧バルブボディによる1kgの軽量化が挙げられます。これは、従来の製造方法と比較して、軽量設計と材料の削減により、ジェット燃料24,500LとCO2排出量63トンの削減につながると推定されています。 [ 59 ] SLMは、原材料の使用量削減、ツールの複雑性の低減、部品の軽量化の可能性、最終形状の完璧さに近いこと、オンデマンド製造などにより、より持続可能な選択肢となることが多いです。[ 62 ]

制約

サイズ、形状の詳細、表面仕上げ、そしてZ軸のプリントスルー寸法誤差といった要素は、この技術を使用する前に考慮すべき要素です。しかし、材料を配置しながらX軸とY軸でほとんどの形状を造形する機械内での造形計画を立てることで、形状公差を適切に管理できます。鏡面仕上げや非常に滑らかな仕上げを実現するには、通常、表面を研磨する必要があります。

生産ツールにおいては、完成品またはインサートの材料密度を事前に確認する必要があります。例えば、射出成形用インサートでは、表面の欠陥がプラスチック部品の欠陥につながるため、問題を回避するには、インサートが金型のベースと温度や表面を適切に適合さ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、SLMプロセスでは、「粉末の粒子サイズ、層状の構築順序、および[粉末分配機構による焼結前の金属粉末の拡散]」により、粒状の表面仕上げが残ります。[ 63 ]

生成された部品の金属サポート構造の除去と後処理は時間のかかるプロセスになる可能性があり、 RP マシンによって提供されるのと同じレベルの精度を持つ機械加工機、EDM 機、および/または研削機の使用が必要になります。

SLMで製造された部品の浅い表面を溶融するレーザー研磨は、高速移動するレーザービームを使用して「表面の山を溶融させるのに十分な熱エネルギー」を提供することで表面粗さを低減することができます。溶融した塊は表面張力、重力、レーザー圧力によって表面の谷に流れ込み、粗さが減少します。[ 63 ]

ラピッドプロトタイピングマシンを使用する場合、バイナリ形式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されたもの）以外は何も含まれていない.stlファイルは、.cliファイルと.sliファイル（非ステレオリソグラフィーマシンに必要な形式）にさらに変換する必要があります。[ 64 ]ソフトウェアは.stlファイルを.sliファイルに変換しますが、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

SLM装置の典型的なコンポーネントには、レーザー光源、ローラー、プラットフォームピストン、取り外し可能なビルドプレート、供給粉末、供給ドーズ（ピストンなど）、光学系とミラーなどがある。[ 65 ]ほとんどのプラットフォームの典型的なビルドエンベロープは（例えばEOS M 290 [ 66 ]）250 x 250 x 325 mmで、一度に複数の部品を「成長」させる能力がある。

参照

参考文献

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  2. ^ 「DMLS | Direct Metal Laser Sintering | What Is DMLS?」 Atlantic Precision. 2018年8月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年3月16日閲覧。
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  4. ^ DE 19649865、マイナース、ヴィルヘルム。 Wissenbach、Konrad & Gasser、Andres、「成形ボディ、特にプロトタイプまたは交換部品の製造」、1998 年 2 月 12 日発行、Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung eVに譲渡 
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