レーザー粉末床溶融結合(金属、SLM/DMLS)

レーザーが金属粉末の薄い層を溶かす(粉末床溶融結合)

レーザー粉末床溶融結合(LPBF)は、微細な金属粉末をレーザーで 1 層ずつ薄く溶かし、完全に緻密な金属部品を造形する工程です。機械メーカーは SLM(選択的レーザー溶融)や DMLS(直接金属レーザー焼結)と呼びます。切削工具でも金型でも作れない金属の形、たとえば内部に冷却流路をもつロケットエンジン部品を作れる点が重要です。

写真：Matti Blume, CC BY-SA 4.0, 提供： Wikimedia Commons

金属粉末床溶融結合チャンバーの断面:アルゴンの流れ、レーザー、ブレード、サポート、ビルドプレート丸数字は下のステップに対応しています。ステップ 3〜5 は何千回も繰り返されます。

しくみ

スライスしてサポートを追加する。 ソフトウェアがモデルを非常に薄い層にスライスし、サポート(薄い金属の支柱)を追加します。サポートはオーバーハングをビルドプレートに固定し、熱を逃がして部品の反りを防ぎます。
アルゴンで満たす。 チャンバーを密閉し、アルゴンか窒素(高温の金属の酸化を防ぐ不活性ガス)で満たします。安定したガスの流れが、ヒューム(煙)とスパッタ(高温の微小な飛沫)をレーザーの経路から運び去ります。
層を敷く。 供給ピストンが上がり、リコーターブレードが金属粉末をビルドプレート全面に、通常 0.02〜0.06 mm の厚さで広げます。
スライスを溶かす。 通常 200〜1,000 W のファイバーレーザーがスライスをなぞります。粉末が小さな溶融池になり、ほぼ瞬時に凍って、下の層に溶着します。
下げて繰り返す。 ビルドプレートが 1 層分下がり、サイクルが繰り返されます。1 日以上かけて、数千回に及ぶことも珍しくありません。
部品を仕上げる。 プレートに付いたまま、部品に応力除去の熱処理(閉じ込められた応力を緩める、ゆっくりした加熱)を行います。そのあと切り離し、サポートを除去し、多くは HIP(熱間等方圧加圧、レッスン 9.3)と機械加工に進みます。

主なポイント

材料: チタン合金(Ti-6Al-4V)、ステンレス鋼と工具鋼、ニッケル超合金(Inconel)、アルミニウム(AlSi10Mg)、コバルトクロム、銅合金
代表的な部品: ロケットエンジンのインジェクター、タービンや燃料系の部品、医療用インプラント、歯科用クラウン、冷却流路付きの金型、熱交換器
部品サイズ: 通常は 1 辺 25〜40 cm。最大の機械は 1 m を超える
精度: 造形したままで約 ±0.1 mm。重要な面は後から機械加工する
表面仕上げ: つや消しで、細かいやすりのように少しざらつく。下向きの面はより粗い。ブラスト、研磨、機械加工をすることが多い
向いているロット数: 年間 1 個から数千個。部品ごとに複雑で価値が高いほど向いている
金型・設備コスト: 工具は不要。機械は数十万ドルから数百万ドル
速度: 遅い:造形に 1 日から数日かかることも多い