選択的レーザー溶融法（SLM）は、高出力レーザーを用いて金属粉末を溶融・融合させ、層ごとに部品を積層する高度な積層造形技術です。他の3Dプリント手法とは異なり、SLMは非常に精密なプロセスであり、優れた機械的特性を備えた複雑で精巧な形状を作成できます。SLMは、廃棄物を最小限に抑えながら強度と機能性を兼ね備えた部品を製造できるため、航空宇宙、自動車、医療機器製造などの業界で人気が高まっています。この記事では、SLMの動作原理、使用される材料、多様な用途、そしてメリットとデメリットについて解説します。
SLMは、レーザービームを用いて、造形プラットフォーム上に広げられた微細な金属粉末を選択的に溶融させることで機能します。このプロセスは、まずパーツの3Dモデルを作成し、それを薄い断面にスライスすることから始まります。金属粉末の層を造形プラットフォーム上に均一に広げ、レーザーがその粉末上をスキャンすることで、パーツの断面形状に合わせて粉末を溶融します。層が完全に溶融・固化すると、造形プラットフォームが下がり、新しい粉末層が塗布されます。このプロセスは、パーツが完成するまで層ごとに繰り返されます。SLMではサポート構造が不要であることが大きな利点の一つです。パーツの周囲にある未焼結粉末が、造形プロセス中に自然な支持を提供するからです。
SLMは、複雑な内部構造、アンダーカット、その他従来の製造方法では実現が難しい形状の部品を高精度に製造できることで特に知られています。そのため、部品の設計と性能が極めて重要となる業界に最適です。
SLMは主に金属に使用され、様々な金属粉末を使用できます。SLMで使用される一般的な材料には、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、ニッケル基合金などがあります。例えば、ステンレス鋼は、強度、耐腐食性、耐久性が重要となる航空宇宙産業や自動車産業などで広く使用されています。チタン合金は、高い強度対重量比と生体適合性から、航空宇宙産業や医療分野で広く使用されています。アルミニウム合金は軽量用途に適しており、ニッケル基合金は優れた高温性能を備えているため、ガスタービンなどの過酷な条件にさらされる部品に最適です。
SLMは、金やプラチナなどの貴金属を宝飾品のデザインやその他のニッチな用途に使用することもできます。さらに、金属粉末をセラミックやポリマーなどの他の材料と混合した複合材料は、耐熱性や導電性などの優れた特性が求められる特定の用途で注目を集めています。
SLMの汎用性と精度は、幅広い産業分野に適用可能です。航空宇宙分野では、SLMは極度の温度や応力に耐えられる軽量で高性能な部品の製造に使用されています。タービンブレードの内部冷却チャネルのような複雑な形状もSLMによって容易に実現でき、従来の製造方法に比べて大幅な性能向上を実現します。
自動車製造において、SLMは試作と最終用途部品の製造の両方に利用されています。この技術により、車両の性能と燃費を向上させる軽量のカスタム部品の製造が可能になります。また、SLMは金型などの耐久性と精度に優れたツールの作成にも利用されており、生産コストとリードタイムの削減にも貢献しています。
医療分野において、SLMはカスタムインプラントや補綴物の製造に革命をもたらしました。患者の解剖学的特性に正確に適合するパーソナライズされた部品を作製できる能力は、手術やリハビリテーションにおいてより良い結果をもたらします。SLMは、精度と生体適合性が極めて重要となる歯科インプラントや外科器具の製造にも利用されています。
SLMの主な利点は、従来の技術では製造が困難または不可能であった複雑で高性能な部品を製造できることです。SLM部品は通常、高い強度、優れた表面仕上げ、高温耐性など、優れた機械的特性を備えているため、航空宇宙や医療機器などの要求の厳しい用途に最適です。
SLMは設計の柔軟性にも優れています。SLMを用いることで、設計者は従来の製造方法では不可能だった内部構造や格子状のフレームワークを持つ形状を作成できます。例えば、部品におけるコンフォーマル冷却チャネルの使用は、SLMが部品の性能と効率をどのように向上させるかを示す好例です。
もう一つの大きなメリットは、材料の無駄を削減できることです。フライス加工や鋳造といった従来の製造方法では、多くの場合、かなりの材料が無駄になります。一方、SLMでは部品に必要な材料のみを使用し、余剰粉末は後続の造形に再利用できます。
SLM印刷の欠点
SLMには多くの利点がある一方で、いくつかの欠点もあります。小規模企業や積層造形に初めて取り組む企業にとって、機器と材料のコストは大きな課題の一つです。SLMに必要な高出力レーザー、特殊な粉末処理システム、後処理装置は高額になる場合があります。
もう一つの欠点は、特に大型部品の場合、造形速度が比較的遅いことです。SLMは層ごとに造形を行うプロセスであるため、大型部品や複雑な部品は他の製造方法に比べて製造に時間がかかります。これは、特にスピードが重要となる業界では、生産スケジュールに影響を与える可能性があります。
さらに、SLMは優れた機械的特性を持つ部品を生産しますが、表面仕上げは従来の製造方法で生産されたものほど滑らかではない場合があります。望ましい表面品質を得るには、機械加工、研磨、熱処理などの後処理工程が必要になる場合があります。
結論
選択的レーザー溶融（SLM）SLMは、航空宇宙、自動車、医療、宝飾品製造など、様々な業界で応用されている強力で汎用性の高い3Dプリンティング技術です。複雑で高性能な部品を最小限の廃棄物で製造できるため、高度な製造ソリューションを求める企業にとって魅力的な選択肢となっています。しかし、SLMを特定の用途に評価する際には、設備コストの高さ、造形速度の遅さ、そして後処理の必要性といった要素を考慮する必要があります。技術の進化に伴い、これらの制約の多くは解消され、将来の製造業におけるSLMの可能性はさらに拡大すると期待されています。
