[南極熊の3Dプリント文化] SLS選択的レーザー焼結：最も広範囲に及ぶ3Dプリント技術

この投稿は Little Raccoon によって 2017-4-11 17:08 に最後に編集されました。

SLS 技術は、ハイエンドの製造分野で広く使用されている技術です。これはテキサス大学の大学院生である CR Dechard によって最初に提案され、1989 年に開発に成功しました。彼はこのコア技術を基に DTM を設立し、2001 年に 3D Systems に完全買収されるまで SLS 技術の大手リーダーとなりました。テキサス大学の DTM の研究者は、何十年にもわたり SLS の分野で多くの研究を行い、機器開発、プロセスおよび材料の研究開発において実りある成果を達成してきました。
国内では、華中科技大学、南京航空航天大学、西北工業大学、北京や湖南省の3Dプリント企業など、多くの機関がSLSに関する関連研究を実施し、多くの重要な成果を達成しています。今日は、3D プリントの分野における SLS テクノロジーについてご紹介します。

1 SLSの原理

選択的レーザー焼結（SLS）技術は、テキサス大学オースティン校のCR Dechardによって発明されました。主にレーザー照射下で粉末材料を高温焼結するという基本原理を利用し、コンピューター制御の光源位置決め装置によって正確な位置決めを実現し、その後、層ごとに焼結して積み重ねて形成します。

SLS の作業プロセスは 3DP の作業プロセスと似ており、どちらも粉末床に基づいています。違いは、3DP では粉末を結合するためにスプレーバインダーを使用するのに対し、SLS では粉末を焼結するために赤外線レーザーを使用することです。まず、粉末材料の層を粉末ローラーで広げ、次に印刷装置の恒温装置で粉末の焼結点より少し低い温度まで加熱します。次に、粉末層にレーザービームを照射して、照射された粉末の温度を融点以上に上げ、焼結させて下の成形部品と結合させます。 1 つの層が焼結された後、印刷プラットフォームが層の厚さまで下がり、粉末敷設システムが新しい粉末材料を印刷プラットフォーム上に広げ、次にレーザービームを制御して再度照射し、焼結します。このサイクルが層ごとに繰り返され、3 次元オブジェクト全体の印刷が完了するまで続きます。

SLS レーザー焼結プロセスの概略図 (画像提供: Antarctic Bear)
SLSプロセスの原理

レーザー焼結技術は、成形原理が最も複雑で、条件が最も厳しく、設備と材料のコストが最も高い 3D 印刷技術の 1 つですが、現在 3D 印刷技術の発展に最も大きな影響を与えている技術でもあります。理論的には、加熱後に原子間結合を形成できる粉末材料はすべて SLS 成形材料として使用できます。現在、SLS 装置印刷に成熟して使用できる材料には、主にパラフィン、ナイロン、金属、セラミック粉末、およびそれらの複合材料が含まれます。
SLS 印刷の内部デモンストレーション

2 SLSの利点と技術的制限
SLS の利点: 1.幅広い材質が使用可能です。使用可能な材料としては、ナイロン、ポリスチレンなどのポリマー、鉄、チタンなどの金属、合金、セラミック、コーテッドサンドなどが挙げられる。高い成形効率。 SLS 技術は粉末を完全に溶かすのではなく焼結するだけなので、a. 製造速度が速いです。3.高い材料利用率。焼結されていない材料は再利用できるため、材料の無駄が少なくなり、コストも削減されます。4.サポートは必要ありません。未焼結粉末はモデルのキャビティ部分とカンチレバー部分を支えることができるため、FDMやSLAプロセスのように別途サポート構造を設計する必要がなく、複雑な形状のプロトタイプや部品を直接製造できます。5.幅広い用途に対応。成形材料の多様性により、異なる成形材料を選択してさまざまな目的の焼結部品を製造でき、プロトタイプ設計モデル、金型マスターパターン、精密鋳造パターン、鋳造シェルおよびコアなどの製造に使用できます。
SLS 技術の制限: 1. 原材料価格と調達およびメンテナンスコストが高額です。 2. 機械的性質が不十分。 SLS 成形金属部品の原理は、低融点粉末が高融点粉末と結合し、その結果部品の多孔度が高くなり、機械的特性が悪くなり、特に伸びが非常に低くなるというものです。そのため、金属機能部品の製造に直接適用されることはほとんどありません。 3. 比較的複雑な補助プロセスが必要です。 SLS で使用される材料は多種多様であるため、原材料の長時間の前処理 (加熱) や完成後の完成品表面の粉末の洗浄など、より複雑な補助プロセスが必要になる場合があります。

SLSの3つの用途

金属粉末の焼結SLS 焼結に使用される金属粉末には、単一金属粉末、金属混合粉末、金属粉末と有機粉末の 3 つの主な種類があります。したがって、SLS 技術を使用して金属部品を形成する主な方法は 3 つあります。

a. 鉄粉などの単一の金属粉末を焼結する場合は、まず鉄粉を特定の温度まで予熱し、次にレーザービームでスキャンして焼結します。焼結部品は熱間静水圧プレス処理を受け、最終部品の相対密度を 99.9% まで高めることができます。

b. 金属混合粉末の焼結は、主に 2 種類の金属の混合粉末で、そのうちの 1 つは融点が低いものです。もう一方の粉末は融点が高くなります。例えば、青銅粉とニッケル粉の混合物。まず金属混合粉末を一定の温度まで予熱します。次に、レーザービームを使用してスキャンし、融点の低い金属粉末（青銅粉末など）を溶かして、耐火性ニッケル粉末を結合します。焼結部品はその後、液相焼結処理され、相対密度 82% が達成されます。

c. 金属粉末と有機バインダー粉末の混合物。金属粉末と有機バインダー粉末を一定の割合で均一に混合します。レーザービームをスキャンして有機バインダーを溶かし、溶けた有機バインダーが金属粉末（銅材料と有機ガラス粉末など）を結合します。焼結された部品はその後高温処理され、部品内の有機バインダーが除去されるだけでなく、部品の機械的強度と耐熱性も向上します。

SLS 技術を使用して印刷された金属オブジェクト (画像ソース: desingnswan.com)

SLS 技術を使用して作られた金属アート作品 (写真提供: Antarctic Bear)

現在、SLS発明者のDechard氏が設立したアメリカのDTM社の製品の中で、以下の金属粉末製品が商品化されています。
1. RrapidSteel1.0、その材料構成は1080炭素鋼金属粉末とポリマー材料です。ポリマーは粉末粒子の表面に均一に覆われています。成形ブランクの密度は鋼の密度の55％で、強度は2.8MPaに達します。浸透金属は純銅または青銅です。この材料は主に射出成形金型の製造に使用されます。 2. RrapidSteel2.0は、焼結部品が完全に緻密で、アルミニウム合金の強度と硬度に達し、機械加工、溶接、表面処理、熱処理が可能で、プラスチック部品の射出成形金型として使用でき、射出成形金型の寿命は10万個/ペアに達します。また、Al、Mg、Znなどの非鉄金属部品のダイカスト金型の製造にも使用でき、ダイカスト金型の寿命は200〜500個/ペアに達します。 3. 銅ポリアミドは、基材が銅粉、バインダーがポリアミドで、成形後に二次焼結が不要という特徴があります。成形部品は一般的なプラスチックの射出成形に使用でき、耐用年数は100～400個/ペアです。
さらに、ドイツのEOS社が発売したDirectSteel（油と他の金属粉を混ぜた鉄粉）などの素材もあります。

セラミック粉末の焼結セラミック粉末材料は金属合成材料と比較して硬度が高く、作業温度も高いため、高温金型の複製にも使用できます。セラミック粉末の融点は非常に高いため、SLS プロセスを使用してセラミック粉末を焼結する際には、低融点のバインダーをセラミック粉末に追加する必要があります。レーザー焼結では、まずバインダーを溶かし、次にセラミック粉末を溶かしたバインダーで結合させて形状を作ります。最後に後処理を行ってセラミック部品の性能を向上させます。

現在使用されている純粋なセラミック粉末原料には主にAl2O3とSiCが含まれ、バインダーには無機バインダー、有機バインダー、金属バインダーが含まれます。処理中の粉末層の初期密度が低いため、製品の密度も低く、主に鋳造シェルの製造に使用されます。

SLSレーザー焼結法で作られたセラミック部品

SLS プロセスを使用して作られたセラミック部品 (画像提供:dentalcompare.com)

Shapeways が SLS 技術を使用して作成した陶器の花瓶 (画像提供: Shapeways)

ポリマー材料の焼結<br /> ポリマー材料の中でよく使われる材料としては、ポリカーボネート（PC）、ポリスチレンパウダー（PS）、ABS、ナイロン（PA）、ナイロンとガラス繊維の混合物、ワックスなどがあります。ポリマー材料は、成形温度が低く、焼結に必要なレーザー出力が少なく、溶融粘度が高く、金属粉末を焼結する際に克服するのが難しい「球状化」効果がありません。そのため、ポリマー粉末は現在最も広く使用され、最も成功しているSLS材料です。

ナイロン素材は、高強度、優れた耐摩耗性、加工の容易さなどの利点があるため、SLS 3D プリントの分野で広く使用されています。同時に、ガラスマイクロビーズ、炭素繊維などの材料をナイロン材料に添加することで、ナイロンの機械的特性、耐摩耗性、寸法安定性、耐熱変形性を向上させることができます。

SLS レーザー焼結ナイロン工業部品 (画像提供: Farsoon Technology)

DTM の DuraForm PA ナイロン素材で印刷された工業用部品 (画像提供: 3D Systems)

DTM の CastForm (ポリスチレン粉末) 素材で印刷された工業用部品 (画像提供: 3D Systems)

現在、海外で商品化されている主なSLSポリマー粉末材料は、1.熱安定性と化学安定性に優れたDuraForm PA（ナイロン粉末、DTM社、米国）です。 2. DuraForm GF（ガラスビーズを添加したナイロン粉末、DTM、米国）は、優れた熱安定性、化学的安定性、高い寸法精度を備えています。 3. ポリカーボネート（ポリカーボネート粉末、DTM社、米国）。熱安定性に優れ、精密鋳造に使用できます。 4. CastForm（ポリスチレン粉末、DTM、米国）は、部品の強度と表面粗さを改善するために鋳造ワックスで処理する必要があり、ロストワックス製造プロセスで使用できます。 5. ゴム製品に似ており、柔軟性に優れたSomos 201（エラストマーポリマーパウダー、DSM Somos）。

具体的には、SLS の応用は、おおよそ次の 6 つの側面にまとめることができます。1. ラピッドプロトタイピング。。 SLS プロセスではモデルを迅速に製造できるため、設計から完成品の確認までの時間が短縮され、顧客は最終製品のプロトタイプをより迅速かつ直感的に確認できるようになります。 2. 新素材の調製および研究開発。 SLS プロセスは、複合材料の強度を高めるための新しい粉末粒子の開発に使用できます。 3. 小ロット・特殊部品の製造・加工。小ロットや特殊部品の製造ニーズに直面した場合、従来の方法では製造コストが高くなることがよくありますが、SLS 技術を使用すると、この問題を迅速かつ効果的に解決し、コストを削減できます。 4. 迅速な金型およびツールの製造。現在、技術レベルの向上により、SLS で製造された部品の一部は、そのまま金型として使用できるようになっています。 5. リバースエンジニアリング。 SLSプロセスでは、3Dスキャンなどの技術を使用することで、図面やCADモデルなしで元の部品を加工し、最終部品に基づいてプロトタイプのCADモデルを構築できるため、リバースエンジニアリングアプリケーションを実現できます。 6. 医療への応用SLS プロセスで製造された部品には一定の多孔性があるため、人工骨の製造に使用できます。臨床研究では、このタイプの人工骨は生体適合性が優れていることが示されています。

SLS 技術を使用して作られた組織工学骨足場材料 (画像提供: 3dprint.com)
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