金属3D印刷にSLMを選択する前のガイド

加工工芸品

技術SLMは、金属粉末のラピッドプロトタイピング技術である選択的レーザー溶融の略です。 SLMは、完全に高密度に近い金属部品を直接形成でき、バインダーを必要としません。 SLMによって作成されたプロトタイプの精度と機械的特性はSLSよりも優れているため、3D印刷でますます人気が高まっています。

SLMプロセスはどのように機能しますか？

SLM技術では、金属粉末を完全に溶かし、金属部品を直接形成する必要があるため、高出力レーザーが必要です。高出力レーザービームがスキャンを開始する前に、水平粉末ローラーは最初に処理室の基板上に金属粉末を広げる必要があります。次に、レーザービームは、現在の層の輪郭情報に従って基板上の粉末を選択的に溶融し、現在の層の部品の輪郭を加工します。その後、リフティングシステムは1層の厚さで距離を落とします。粉末拡散ローラーは、処理された層に金属粉末を再拡散し、装置は次の層のプロセスに入ります。パーツ全体が完成するまで、すべてのレイヤーがこのように処理されます。金属が高温で他のガスと反応するのを防ぐために、機械加工プロセス全体を真空またはガス保護された処理チャンバー内で実行する必要があります。

SLMプロセス

SLMの利点は何ですか？

SLMテクノロジーのレーザービームは、金属粉末をすばやく溶融し、連続的な溶融経路を得ることができます。高精度、完全冶金構造、ほぼ任意の形状でほぼ緻密な金属部品を瞬時に得ることができます。 SLM規格の金属密度は99％を超えており、優れた機械的特性を備えており、従来のプロセスと比較することができます。また、SLMで加工した部品は必要に応じて溶接することができます。入手可能な材料の種類も増え続けます。 SLMのその他の利点を以下に示します。

1.直接金属レーザー焼結。金属部品はSLMで直接製造でき、途中で製造する必要はありません。複雑な形状の機能部品も直接製作できます。

2.高品質のレーザービーム。 SLMは、マイクロフォーカススポットを採用した優れたレーザービーム品質を備えており、高精度で表面粗さが良好な機能部品を直接製造できます。

3.完全に溶ける。すべての金属粉が完全に溶けます。直接製造された金属機能部品は、冶金構造、高密度、優れた機械的特性を備えており、後処理の必要はありません。

4.複数の利用可能な資料。粉末の列材料は、単一材料または多成分材料にすることができ、特別に配合する必要はありません。

5.ローバッチフレンドリー。機能部品の加工、特に単一部品または低バッチ生産に適しています。

SLMテクノロジーの制限は何ですか？

現在、SLMテクノロジーには多くの制限があります。

SLMの限界は、粉末拡散欠陥と印刷処理欠陥によって分けることができます。例えば、粉末拡散欠陥にはいくつかの不規則な粉末層があります。印刷加工の欠陥については、しぶき、ボール、毛穴、表面品質の悪さ、ひび割れ、幾何学的変形などがあります。

1.バリング

球状化またはボール化は、金属ベースの粉末床の製造プロセスにおける独特の冶金学的欠陥です。球状化は、液体金属が表面張力の作用下で球形に固化するときに発生します。レーザービームの高エネルギー密度と低エネルギー密度の両方がこの現象を引き起こす可能性があります。エネルギーが低すぎると、金属粉末が完全に溶けず、球状化を引き起こします。エネルギーが高すぎると、液体金属が未溶融の金属粉末に飛散して球状化を形成します。球状化は、次の層の粉末拡散品質、コンポーネントの表面品質に影響を与え、また、不十分な溶融やスラグの混入などの欠陥につながります。さらに、球状化により、コンポーネントの引張強度と耐疲労性が低下します。球状化を減らして回避する効果的な手段には、印刷プロセスを最適化し、パラメーターの最適な組み合わせを見つけることが必要です。

2.ポア

気孔率はSLMコンポーネントの最も重要な欠陥タイプであり、SLMコンポーネントの機械的特性に最も大きな影響を与える欠陥の1つです。それはまた、産業界と学界の焦点の1つです。 SLMプロセスでは、材料の急速な溶融と凝固、および溶融池の激しい変動により、細孔が生成されます。細孔のサイズ、数、形態、および位置は、コンポーネントの機械的特性に重要な影響を及ぼします。気孔率が高いと、成形品の疲労寿命が短くなります。表面に近い細孔は、他の位置よりも成形品の疲労性能に大きな影響を与えます。細孔の形成メカニズムにより、原料に関連する細孔とレーザー作用による細孔に分けることができます。

細孔の生成プロセスは非常に複雑で、プロセスパラメータと密接に関連しています。合理的な印刷プロセスと材料の使用頻度に対する中断のないプロセスの最適化は、細孔の発生を回避するための重要な条件です。

3.幾何学的変形

SLMプロセスでは、コンポーネントの幾何学的特徴、熱蓄積、応力集中、およびその他の理由により、さまざまな程度の幾何学的欠陥が形成されます。程度が軽いと変形が発生し、寸法誤差が生じ、構造が不完全になり、処理プロセスが失敗することさえあります。

SLMコンポーネントの幾何学的精度は、コンポーネントの組み立てとパフォーマンスに影響を与えます。研究によると、さまざまなスキャン方法が温度場に重要な影響を及ぼし、残留応力分布とコンポーネントの幾何学的変形に影響を与えることがわかっています。レーザースポット、出力、スキャン速度は、寸法精度と表面品質に影響を与え、コンポーネントを改善します。幾何学的精度は、SLMテクノロジーの産業用途を大幅に促進します。

結論

SLMプロセスの主な欠陥は、ボール、反り変形、および細孔です。また、SLM部品の機械的特性は、CNC機械加工された金属部品ほど良くありません。同時に、プロセス速度は非常に遅く、価格も高価です。精度と表面品質も制限されています。

アプリケーションエリア

現在、SLM技術は主に産業分野で使用されており、複雑な金型、個別化された医療部品、航空宇宙、自動車などで顕著な技術的利点があります。

1.航空宇宙

従来の航空宇宙部品の処理時間は非常に長く、粉砕プロセス中に高価な材料の最大95％（体積分率）を除去する必要があります。 SLM法を使用して航空金属部品を形成すると、コストを節約し、生産効率を大幅に向上させることができます。 Ti-6Al-4V（Ti64）は、低密度、高強度、優れた加工性、優れた機械的特性、および優れた耐食性の特性を備えています。これは、航空宇宙部品で最も広く使用されている材料の1つです。

2.生物医学分野

SLMテクノロジーは、医療業界でますます広く使用されるようになりました。徐々に、SLMは整形外科用インプラント、カスタマイズされたプロテーゼおよびプロテーゼ、パーソナライズされたカスタマイズされた歯科矯正ブラケットおよび歯科修復物の製造に使用されます。たとえば、316Lステンレス鋼脊椎手術ガイドはSLMテクノロジーによって形成できます。パーソナライズされた人工膝関節は、SLM成形によって作成できます。

心臓血管ステントの従来の製造プロセスは、マイクロチューブとレーザーマイクロカッティングの製造に基づいています。現在、SLM技術を使用して、コバルトクロム合金の心臓血管ステントを形成することができます。たとえば、Ti-6Al-4V人工寛骨臼シェルはSLM技術によって形成され、人工寛骨臼シェルの形成効果は、SLMプロセスのプロセスパラメータを分析および最適化することによって改善されます。

3.金型産業

金型業界でのSLMテクノロジーの適用には、主に、スタンピングダイ、鍛造ダイ、キャスティングダイ、押出ダイ、伸線ダイ、および粉末冶金ダイの成形が含まれます。たとえば、Armillottaやその他の企業は、SLMテクノロジーを使用して、コンフォーマルな冷却チャネルを備えたダイカスト金型を形成しています。実験結果は、共形冷却の存在がスプレー冷却の数を減らし、冷却速度を増加させることを示しています。同時に、冷却効果がより均一になり、鋳造面の品質が向上し、サイクルタイムが短縮され、収縮現象が回避されます。