[南極熊の3Dプリント文化] SLM選択的レーザー溶融:かけがえのない金属3Dプリント技術

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この投稿は Little Raccoon によって 2017-4-19 17:58 に最後に編集されました。


1. SLMの動作原理


選択的レーザー溶融 (SLM) 技術は、1995 年にドイツのフルーンホルファー研究所によって初めて提案され、その動作原理は SLS に似ています。 SLM はレーザーのエネルギーを熱エネルギーに変換して金属粉末を成形します。主な違いは、SLS 製造プロセスでは金属粉末が完全に溶融しないのに対し、SLM 製造プロセスでは金属粉末が加熱されて完全に溶融してから成形されることです。

SLM の動作原理図 (画像出典:additively.com)

SLM ワークフローは、プリンターがレーザーを制御して、敷き詰められた粉末の上にある粉末を選択的に照射し、金属粉末が完全に溶けるまで加熱してから成形するというものです。次にピストンが作業台を 1 単位下げ、現在形成されている層の上に新しい粉末層を敷き詰めます。装置は新しい層の断面データを呼び出してレーザー溶融し、前の層の断面に結合します。このプロセスは、オブジェクト全体が形成されるまで層ごとに繰り返されます。 SLM プロセス全体は、高温での金属の酸化を防ぐために不活性ガスで保護された処理チャンバー内で実行されます。

SLM技術印刷プロセス レーザーは、現在の薄層の輪郭に応じて粉末を選択し、溶かします。新しい粉末層を現在の層の上に広げた後、層ごとに溶かして最終製品を得ます。

SLM と SLS の違い: SLS はレーザー焼結であり、使用される金属材料は、低融点金属またはポリマー材料を混合した加工粉末です。加工中、低融点材料は溶けますが、高融点金属粉末は溶けません。まず、粉末をランプ加熱や金属板熱輻射などを利用して結晶化温度(約170℃)を超える温度まで加熱します。溶融材料は接合と成形に使用されるため、実体には気孔があり、機械的特性が劣ります。一部の部品は、使用する前に高温で再溶解する必要があります。

SLM は選択的レーザー溶融です。名前の通り、レーザーを使用して加工中に粉末を完全に溶かします。バインダーは必要ありません。成形精度と機械的特性は SLS よりも優れています。しかし、SLM には熱場がないため、金属を室温の 20 度から融点の数千度まで加熱する必要があり、このプロセスには膨大な量のエネルギーが消費されます。



2 利点と技術的制限
SLM の主な利点: SLM で形成された金属部品は密度が高く、90% を超えることもあります。引張強度などの機械的特性は鋳造品よりも優れており、鍛造品のレベルに達することさえあります。微細なビッカース硬度は鍛造品よりも高く、印刷工程で完全に溶融されるため寸法精度が高く、従来の減算製造法と比較して大量の材料を節約できます。

SLM 技術の制限: 成形速度が遅く、加工精度を向上させるには、より薄い加工層の厚さが必要です。また、小型部品の加工には長い時間がかかるため、大規模製造への適用は困難です。設備の安定性と再現性を向上させる必要があります。表面粗さを向上させる必要があります。設備全体が高価であり、金属粉末を溶融するには SLS よりも高出力のレーザーが必要で、より多くのエネルギーを消費します。SLM 技術はより複雑で、サポート構造が必要であり、考慮すべき要素が多くあります。そのため、主に工業グレードの積層造形で使用されます。

SLM プロセス中、金属は瞬時に溶解して凝固し (冷却速度は約 10000K/s)、温度勾配が非常に大きく、大きな残留応力が発生します。基板の剛性が十分でない場合、基板の変形を引き起こします。したがって、基板は残留応力の影響に耐えられるほど十分に剛性でなければなりません。応力除去焼鈍により残留応力のほとんどを除去することができます。
ワークピースの残留応力が大きすぎたり、基板の剛性が不十分だと基板が変形する


3 SLM アプリケーション

SLM材料 SLM 技術で使用できる粉末材料は、主に混合粉末、合金粉末、単一金属粉末の 3 つのカテゴリに分類されます。

1. 粉末を混ぜます。混合粉末は、異なる粉末を一定の割合で混合して作られます。既存の研究によると、SLM によって形成された部品の機械的特性は密度と成形の均一性に影響され、現在の混合粉末の密度を改善する必要があることが示されています。2. 事前合金化粉末。異なる成分に応じて、プレアロイ粉末はニッケルベース、コバルトベース、チタンベース、鉄ベース、タングステンベース、銅ベースなどに分類できます。研究によると、プレアロイ粉末材料で作られた部品の密度は95%を超える可能性があります。3.単一の金属粉末。一般的に、単元素金属粉末は主にチタン金属であり、成形性が良好で、密度は最大 98% です。
3Dプリント用金属粉末


現在、SLM 技術は主に工業分野で使用されており、複雑な金型、パーソナライズされた医療部品、航空宇宙、自動車などで優れた技術的利点を持っています。

航空宇宙:有人宇宙船スーパードラコの開発中、米国の航空宇宙企業 SpaceX は SLM 技術を使用して有人宇宙船のエンジンを製造しました。 SuperDraco エンジンの冷却チャネル、インジェクション ヘッド、スロットル バルブなどの構造は非常に複雑であり、3D プリントにより複雑な構造の製造上の問題が効果的に解決されました。 SLM が製造する部品の強度、靭性、破壊強度などの特性は、さまざまな厳しい要件を完全に満たすことができるため、SuperDraco は高温高圧の環境でも動作できます。

SpaceX は有人宇宙船エンジンの製造に SLM 技術を採用 (画像提供: SpaceX)

SLM 技術を使用して印刷されたチタン合金ブレード (画像提供: SLM Solutions)



SLM技術を使用して印刷された航空宇宙部品


3Dプリント技術の多くの応用分野の中で、自動車業界は 3D プリント技術を最も早く導入した業界の 1 つです。 SLM 技術を使用して製造される自動車金属部品は、コストの削減、サイクルの短縮、作業効率の向上、複雑な部品の製造などの利点があり、車体設計、構造、軽量化などの性能を向上させることができます。
SLM 技術を使用して印刷された V8 エンジンのソリッド モデル (画像提供: Antarctic Bear)

SLM 技術を使用して印刷された自動車部品 (画像提供: electrooptics.com)

SLM 技術を使用して製造された自動車部品 (画像提供: Farsoon Technology)

SLM 技術を使用して印刷された F1 レーシングカーのシリンダー ヘッド (画像提供: NJStar)

バイオメディシンでは、SLM 技術を使用して下顎骨、脊椎固定矯正、義歯などを製造しています。 2011年、オランダの医師らは83歳の女性に3Dプリントした金属製の下顎骨を移植した。これは世界で初めて3Dプリント移植が臨床応用された例となった。

下顎
脊椎固定矯正
カスタマイズされたマイクロポーラス骨ネジ

SLM 技術のバイオメディカル応用事例 (画像提供: Farsoon Technology)

SLM 技術を使用して印刷された医療製品 (画像提供: 3ders.com)

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レーザー、技術、金属、動作原理、プリンター

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