選択的レーザー溶融法 (SLM) とは何ですか?

選択的レーザー溶融（SLM）は、金属粉末を原料とし、高出力レーザーを用いて粉末粒子を選択的に溶融・融合させることで、高密度で完全に機能する三次元金属部品を製造する積層造形技術である。

選択的レーザー溶融技術は、現在利用可能な最も先進的な金属3Dプリンティング技術の1つです。これは1990年代初頭に開発され特許を取得しており、それ以前の技術を基盤としています。 選択的レーザー焼結 3Dプリンティング技術。この記事では、SLM 3Dプリンティングとは何か、どのような材料に適しているか、そしてその用途について説明します。

選択的レーザー溶融の概要

選択的レーザー溶融（SLM）は、金属部品の3Dプリント方式です。単一の金属粉末または混合金属粉末を用いて、冶金的に結合した、ほぼ100%の密度、高い寸法精度、良好な表面粗さを備えた部品を直接製造します。簡単な後処理を施すだけで、部品はそのまま使用できます。

選択的レーザー溶融（SLM）は、高エネルギー密度のレーザーを用いて、輪郭データに基づいて金属粉末を層ごとに選択的に溶融させる技術です。急速な凝固後、冶金的な結合によって金属部品が形成されます。

金属部品の従来の製造方法には、鋳造、鍛造、溶接、CNC加工などがあります。これらの方法は、加工期間が長くコストも高いため、複雑な部品の少量生産には適していません。SLM 3Dプリンティングは、複雑な構造の金属部品を直接かつ迅速に製造できます。

選択的レーザー溶融プロセス

選択的レーザー溶融プロセスは、以下の手順で要約できます。

1. 3次元CADモデルをスライスして離散化し、スキャン経路を計画して、レーザービームを制御できる経路情報を取得する。
2. コンピュータはパス情報を層ごとに読み込む。走査型ガルバノメータがレーザービームを制御し、金属粉末を選択的に溶融させる。レーザーが照射されていない領域の粉末は、そのままの状態で残る。
3. 一層の処理が完了すると、粉末シリンダーが上昇し、成形シリンダーがスライスの厚さ分だけ下降し、水平スクレーパーが粉末を成形プラットフォーム上に広げる。
4. レーザーは新たに塗布された粉末を溶融させ、それが前の層の凝固した金属と融合する。この工程を成形が完了するまで繰り返すことで、三次元の固体モデルと同一の金属部品が完成する。

選択的レーザー溶融の利点

選択的レーザー溶融法には、以下の利点があります。

（１）幅広い成形材料：理論的には、あらゆる金属粉末を高エネルギーレーザービームで溶融できます。金属材料が適格な金属粉末に加工されていれば、選択的レーザー溶融法（SLM）によって機能的な金属部品を直接成形できます。一般的なステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金、耐熱合金に加えて、タングステン合金やタンタル合金のSLM成形も報告されています。

（２）部品の複雑さに影響されない：従来の複雑な金属部品の製造方法では、複数の工程が必要でした。一方、選択的レーザー溶融法では、金属粉末から最終部品をワンステップで直接成形します。部品の複雑さに左右されません。これにより、複雑な金属部品の製造プロセスが簡素化され、製造時間が短縮され、生産効率が向上します。

（３）高い材料利用率：従来の金属部品の機械加工では、主にブランクから余分な材料を除去します。SLM技術では、消費される材料は実際の部品とほぼ同じです。未使用の粉末は再利用できるため、90％以上の材料利用率を実現します。

（４）優れた部品品質：選択的レーザー溶融（SLM）は、高エネルギー密度の小さなレーザースポットを使用し、金属粉末の粒子サイズが非常に小さい。成形された部品は、高い寸法精度と良好な表面粗さを有する。SLMで造形された部品の内部構造は、急速な溶融と凝固の条件下で形成される。微細構造は、粒径が小さく、構造が微細で、強化相が分散しているという利点を持つことが多い。相対密度はほぼ100％に達し、部品に優れた総合的な機械的特性を与える。ほとんどの場合、その機械的性能は鋳造品を上回り、鍛造品のレベルに達する。

他の3Dプリント方式と比較して、選択的レーザー溶融法には以下の欠点がある。

1. 高価な3Dプリンター装置：高出力レーザーは高価であり、モーションコンポーネントには高い制御精度が求められ、装置には厳密な気密性が要求されます。これらの要因により、SLM装置は一般的に非常に高価になります。500Wファイバーレーザーを搭載し、成形サイズが100mmのSLM装置は約1万元ですが、複数のレーザーを搭載した大型SLM装置は数千万元もします。
2. 疲労特性やその他の機械的特性の低さ：SLMは機械的性能要件を満たす複雑な金属部品を直接成形でき、従来の機械的特性は鍛造レベルに達するかそれを上回るものの、選択的レーザー溶融（SLM）はまだ研究の初期段階にあります。内部空隙、異方性、鋳造ままの微細構造の問題を解消することはできません。その結果、SLMで成形された材料の長期的な機械的特性（疲労、耐久性、クリープ性能など）は不安定なままです。

SLM 3Dプリンティングによく使われる材料

金属粉末の品質は、SLM（選択的レーザー溶融）で造形される部品の最終的な品質を直接左右します。金属粉末の調製は、最も重要な技術の一つです。SLMでは一般的に、直径10～53μmの球状金属粉末が使用されます。参考までに、人間の髪の毛の直径は通常40～70μmです。現在、最も一般的に使用されている金属粉末には、鉄系合金、銅合金、アルミニウム合金、チタン合金などがあります。

鋼合金

鉄を主成分とする材料は、一般的に鋼材と呼ばれています。これらは日常生活で広く使用されています。従来、ダイカスト、鍛造、溶接、 CNC加工鉄系粉末の主な特徴は、優れた機械的特性、優れた加工性、および低コストの材料です。SLM 3Dプリンティング用の鉄系粉末は、304Lステンレス鋼、316Lステンレス鋼、H13工具鋼、18Ni300工具鋼などの従来の鉄系材料から化学的方法によって得られます。鉄系粉末材料は比較的安価で、機械的特性は元の材料の特性に近いものです。

チタン合金

チタン合金は、耐熱性、耐食性、強度、密度が低く、生体適合性に優れているという利点があります。航空宇宙産業や医療産業で広く使用されています。従来は鍛造によって成形されていました。人体硬組織の修復に使用される金属の中で、チタンの弾性率は人体硬組織（80～110 GPa）に近いため、金属インプラントと骨組織間の機械的ミスマッチを低減できます。現在、SLM 3Dプリンティングで成形されるチタン合金には、TA2、TA15、TC2、TC4、TB6などがあります。中でも、TC4（Ti6Al4V）は最も広く使用されているチタン合金です。医療分野では、主に人体インプラントや歯に使用されています。航空宇宙分野では、主に部品の軽量化問題を解決するために使用されています。

ニッケル合金

ニッケル基合金は、Ni、Nb、Mo、Tiなどの元素を多量に含む高温合金の一種です。通常、540℃以上の温度で使用され、650℃以上で長期間使用することも可能です。航空宇宙、エンジン、原子炉などで広く使用されています。ニッケル基高温合金は、複雑な化学組成、製錬時の深刻な偏析、および劣悪な加工性を有しています。現在、SLM 3Dプリンティングで製造されるニッケル基合金には、インコネル625、インコネル718、GH4169などがあります。

アルミニウム合金

アルミニウム合金は、低密度、高比強度、優れた耐食性、良好な加工性といった特性を持ち、航空宇宙、自動車、その他の産業で広く使用されており、最も一般的に使用されている非鉄金属の一つです。アルミニウム合金のSLM 3Dプリンティングは、粉末の流動性の悪さ、アルミニウムの高い反射率と熱伝導率、そして成形品質を著しく低下させる酸化膜の形成傾向などにより、比較的困難です。Al-Si-Mg系アルミニウム合金は、SLM 3Dプリンティングにより適しています。現在、業界で最も広く使用されているのはAlSi10Mgです。

SLM 3Dプリンティング材料と性能表

SLM 3Dプリンティング材料の要件

理論上はあらゆる金属材料を粉末状にしてSLM 3Dプリンティングで成形できますが、SLM 3Dプリンティングでは粉末材料の組成、形態、粒径、その他の特性に厳しい要件があります。SLM金属粉末で確認すべき主なパラメータには、粒度分布、形状/形態、比表面積、見かけ密度、タップ密度、流動性、酸素/窒素/水素/炭素/硫黄含有量などがあります。中でも、化学組成、粒度分布、見かけ密度、流動性、タップ密度の5つが重要な指標となります。

化学組成

研究によると、合金材料は純金属よりもSLM 3Dプリンティングで成形しやすいことが分かっています。これは主に、特定の合金元素が溶融プールの濡れ性や耐酸化性を向上させ、亀裂などの欠陥を防ぐためです。原材料の化学組成は、SLMの要件を満たすように再設計する必要がある場合が多くあります。これが、現在SLM 3Dプリンティングに利用できる材料が比較的少ない理由の一つです。さらに、SLM 3Dプリンティング中に一部の合金元素が燃焼するため、印刷前後で化学組成に違いが生じます。そのため、最終的な機械的特性を確保するには、粉末の化学組成を再検査する必要があります。

粒度分布

粒度分布とは、個々の粉末粒子の直径の全体的な分布を指します。粒子が小さすぎると印刷中に飛散しやすく、大きすぎると最終製品の密度が低下します。粒度分布は通常、標準的なふるい分けによって分類されます。実験的研究によると、SLM金属粉末の最適な粒子サイズは15～53µmです。

見掛け密度

見かけ密度とは、粉末が規定の条件下で標準容器に自由に充填されたときに測定されるかさ密度です。これは、粉末が緩く充填されたときの単位体積あたりの質量です。密度、粒子形状、表面状態、粒子サイズ、粒度分布など、複数の粉末特性を総合的に反映したものです。見かけ密度は、製造プロセスの安定性や製品の品質管理に重要な影響を与えます。一般的に、粒子形状が規則的であるほど、表面が滑らかであるほど、粒子密度が高いほど、見かけ密度は高くなります。見かけ密度が高いほど、積層造形におけるプロセス設定や最適化が容易になり、最終製品の密度が要求仕様を満たすことが保証されます。

流動性

流動性とは、一定量の粉末が所定の開口部を持つ標準漏斗を通過するのに要する時間で表され、通常は秒/50gの単位で示されます。値が小さいほど流動性が優れています。これは粉末のプロセス性能です。粉末の流動性は、粒径、形状、粗さ、比表面積など、多くの要因に関係しています。一般的に球状粒子が最も流動性が高く、不規則な形状、小さなサイズ、粗い表面は流動性を低下させます。さらに、粉末の流動性は粒子間の付着にも影響されます。粒子表面への水分やガスの吸着は流動性を低下させます。

タップ密度

タップ密度とは、容器内で機械的に振動させてより理想的な充填状態にした後の粉末の嵩密度です。見かけ密度と比較すると、粒度分布、粒子形状、表面粗さ、比表面積など、粉末の複数の物理的特性とプロセス特性を総合的に反映したものです。一般的に、タップ密度が高いほど、粉末の流動性が優れていると言えます。

金属粉末を購入・選定する前に、製造元と連絡を取り、粉末材料の基本パラメータを入手して、部品設計要件を満たしているかどうかを確認する必要があります。例えば、下図は製造元から提供された18Ni300工具鋼粉末のパラメータを示しています。購入した粉末の関連パラメータは再検証する必要があり、繰り返し使用する金属粉末についても、原材料がSLM成形要件を満たしていることを確認するために定期的な試験が必要です。

SLM 3Dプリンティングの用途

選択的レーザー溶融（SLM）技術は、多くの産業において試作品開発から量産への移行を実現し、従来の製造プロセスでは不可能だった多くの用途を生み出しています。航空宇宙からヘルスケア、自動車製造からエネルギー機器まで、SLM技術は製品の設計と製造方法を根本から変革しています。以下に、さまざまな産業におけるSLM技術の代表的な応用事例をいくつかご紹介します。

航空宇宙

航空機エンジンの燃料ノズルは、SLM 3Dプリンティングの代表的な応用例です。従来の製造方法では、複数の部品を加工してから組み立て、溶接する必要がありました。SLM 3Dプリンティングでは、複雑な内部流路を持つ一体型ノズルを一体成形できるため、軽量化だけでなく、信頼性と耐用年数の向上にもつながります。GE AviationがLEAPエンジンの燃料ノズル製造にSLMを採用した結果、部品点数は20個から1個に削減され、重量は25%削減、耐用年数は5倍に延びました。

航空機構造部品の軽量化は、航空分野におけるSLM 3Dプリンティングの重要な応用例の一つです。トポロジー最適化と格子構造設計により、SLM 3Dプリンティングは機械的性能要件を満たしながら、大幅な軽量化を実現した航空機構造部品を製造できます。例えば、SLM 3Dプリンティングを用いて製造されたエアバスA350XWB型機のチタン合金製ブラケットは、機械的性能要件を完全に満たしながら、30%以上の軽量化を達成しました。この軽量化は、燃費向上と二酸化炭素排出量削減に直接つながり、航空会社の運航経済と環境持続可能性にとって非常に重要な意味を持ちます。

航空宇宙分野におけるSLM 3Dプリンティング技術の主な要件は、認証と標準化です。航空安全の重要性から、SLMで製造された部品は厳格な品質認証と性能試験に合格する必要があります。現在、国際標準化機構（ISO）と米国材料試験協会（ASTM）は、金属積層造形に関する複数の技術規格を発行し、業界向けの仕様を提供しています。

医療およびヘルスケア

多孔質構造の製造は、医療用途におけるSLM 3Dプリンティングの主要な特徴です。特定の細孔構造と表面形態を設計することで、インプラントの弾性率を調整（応力遮蔽を回避するため）し、骨組織の成長を促進することができます。研究によると、SLMでプリントされたTi6Al4V多孔質構造は、70～80%の多孔度を達成でき、弾性率は天然骨に近いレベル（約10～30 GPa）に調整可能でありながら、十分な強度を維持できます。華南理工大学の研究チームは、SLM 3Dプリンティングを使用して個別化インプラントの設計と直接製造に成功し、複雑な整形外科修復のための新しいソリューションを提供しています。

歯科分野への応用は、医療におけるSLM 3Dプリンティングの重要な分野の一つです。コバルトクロム合金やチタン合金製の歯科用クラウン、ブリッジ、義歯フレームはすべてSLM 3Dプリンティングで製造可能です。高い精度と大幅な生産効率の向上を実現しています。従来の鋳造プロセスと比較して、SLMで製造された歯科修復物は精度が高く、鋳造時の収縮や変形の問題を回避でき、材料性能も優れています。デジタル歯科ワークフロー（口腔スキャン→CAD設計→SLM製造）は歯科修復業界を変革し、治療期間を大幅に短縮し、修復物の品質を向上させています。

SLM 3Dプリンティングを用いた外科手術器具や医療機器の製造もますます普及しつつあります。SLM 3Dプリンティングは、内部チャネルを備えた手術ガイドや個別化された解剖モデルなど、従来の方法では実現が困難な複雑な器具の製造を可能にします。これらの用途では、設計の自由度と迅速な成形という利点を最大限に活用し、精密医療のための強力なツールを提供します。国信証券の調査レポートによると、医療分野における世界の3Dプリンティング市場は、2024年にはすべての3Dプリンティング用途の13.7%を占めると予想されており、大きな成長の可能性を示しています。

医療分野における主な要件は、生体適合性と滅菌性である。インプラント材料は、ISO 10993などの生体適合性規格に準拠する必要があり、表面状態や清浄度についても厳格な要件が課せられる。さらに、多孔質構造は骨との統合に有利である一方で、洗浄や滅菌を困難にする要因にもなる。

自動車および輸送

レーシングカーや高性能自動車部品は、自動車分野におけるSLM 3Dプリンティングの代表的な応用例です。レーシングカーは性能を極限まで追求するため、軽量化と複雑な構造に対する要求が高く、コストに対する感度は比較的低いのが一般的です。SLMで製造された軽量サスペンション部品、トポロジー最適化されたシャーシ部品、冷却チャネルを内蔵したブレーキシステムは、F1やル・マンなどのトップレースですでに採用されています。例えば、SLMでプリントされたチタン合金製サスペンションブラケットは、必要な強度と剛性を維持しながら軽量化を実現し、レース性能の向上に貢献します。

自動車用機能部品の少量生産においても、SLM 3Dプリンティングの利用がますます広がっている。高級車やスポーツカー向けの特注部品、限定モデル向けの特殊部品など、従来は複雑な金型と高額な少量生産コストを必要としていた部品も、SLM 3Dプリンティングによって経済的に生産できるようになった。ポルシェなどの高級車メーカーは、SLM 3Dプリンティングを用いて希少なクラシックカー用スペアパーツを生産し、従来のサプライチェーンでは対応が困難だった旧型車のメンテナンス問題を解決している。

自動車用治工具の製造は、自動車産業におけるSLM 3Dプリンティングのもう一つの重要な応用例です。自動車生産ラインで使用される治工具やゲージは、従来は機械加工によって製造されていましたが、これはサイクルが長くコストも高額でした。SLM 3Dプリンティングは、軽量で機能的に統合された治工具や治具を迅速に製造できるため、生産ラインの準備時間を大幅に短縮できます。フォードなどの企業は、この技術を応用しています。 SLM方式でプリントされた治具 生産ライン上で稼働し、良好な経済的利益を達成した。

エネルギー

エネルギー産業におけるSLM 3Dプリンティングの主な課題は、過酷な環境下での長期的な信頼性です。エネルギー機器は通常、高温、高圧、腐食性環境、または放射線条件下で数十年にわたって稼働する必要があります。

ガスタービンの燃焼器、ノズル、熱交換器などの部品は、高温高圧下で動作する必要があります。従来の製造方法では、多くの課題に直面しています。SLM 3Dプリンティングは、複雑な内部冷却チャネルを備えたタービン部品の製造を可能にし、冷却効率と部品寿命を大幅に向上させます。シーメンスなどの企業は、SLMで製造されたガスタービン燃焼器を実用化し、効率向上と排出量削減を実現しています。

石油・ガス業界も、特殊な耐腐食性および高圧部品の製造にSLM 3Dプリンティングを徐々に採用し始めている。SLM 3Dプリンティングは、インコネル625製のバルブやポンプ本体など、従来の方法では加工が困難な耐腐食性合金部品の製造を可能にする。これらの部品は、硫化水素を含む極めて腐食性の高い環境下で長期間にわたり確実に動作する必要がある。

SLM 3Dプリンティングへの関心は原子力分野でも高まっている。原子炉内の燃料要素支持部やセンサーハウジングといった特殊な部品には、ジルコニウム合金などの耐放射線性材料を用いた精密な製造が求められる。SLM 3Dプリンティングは、こうしたニーズに新たな可能性をもたらす。さらに、原子力発電所の保守に必要な希少な予備部品も、SLM技術を用いることで迅速に製造でき、稼働停止時間を短縮できる。

家電

家電業界における精密性、軽量化、機能統合の追求は、SLM 3Dプリンティングの新たな応用分野を生み出している。国信証券のレポートによると、2024年には世界の3Dプリンティング用途の14%を家電が占め、医療や自動車分野に匹敵する規模になると予測されている。折りたたみ式スマートフォンのヒンジは、家電の代表的な例である。例えば、OPPO Find N5の「スカイドーム」ヒンジは、BLTが金属3Dプリンティングを用いて製造し、高い統合性と大幅な軽量化を実現した。Appleも、Apple Watchや将来の折りたたみ式デバイスの部品に3Dプリンティング技術の活用を検討している。

高級時計の製造は、SLM 3Dプリンティングのニッチながらも高付加価値な応用分野の一つです。時計は、精緻な外観と複雑な内部構造が求められるため、SLM 3Dプリンティングの強みとよく合致しています。SLM 3Dプリンティングは、従来の加工方法では実現が困難な複雑な時計ケースやブレスレット構造を、軽量化と同時に製造できます。一部の高級時計ブランドは、SLM 3Dプリンティングで製造された限定モデルを発表しており、技術と芸術の融合を実証しています。

許容範囲と容量

Getzshapeでは、 カスタム3Dプリントサービス 当社は、SLA、SLS、SLM、FDMという4つの主要な技術を網羅しています。当社のSLM 3Dプリンティングの許容誤差と能力は以下のとおりです。