SLS 3Dプリンティングとは何か、そしてどのように機能するのか？

選択的レーザー焼結（SLS）は、ラピッドプロトタイピングでよく用いられる3Dプリンティング技術の一つです。この技術は、レーザー光を粉末材料に照射し、層状に部品を積層造形します。本稿では、選択的レーザー焼結（SLS）3Dプリンティングの基本原理、技術の仕組み、プロセス全体、適切な材料、そしてその応用例について解説します。

SLS 3Dプリントの概要

選択的レーザー焼結（SLS）は、レーザーを用いて粉末材料と相互作用させ、部品を層ごとに構築する積層造形技術です。通常、レーザー光源としてCO₂レーザーを使用します。コンピュータから入力された層状データに基づいて、各層を選択的にスキャンして焼結します。SLSは、非常に柔軟で適応性の高い積層造形技術です。従来の材料成形や切削加工の限界を克服し、金型やサポート構造を必要としません。材料を積み重ねて部品を形成します。設計の自由度が高く、製品開発サイクルが短く、製造コストが低いという利点があります。複雑なポリマー、金属、セラミック部品を迅速に製造できます。

選択的レーザー焼結の原理

SLS技術では、スキャン前に粉末を融点以下の温度まで予熱する必要があります。これにより、レーザースキャン中の熱変形や粉末付着の問題が軽減され、層間の接着も促進されます。コンピュータソフトウェアは、レーザーの動作、出力調整、粉末の予熱、粉末散布ローラー、および粉末シリンダーの動きを制御します。

レーザー出力、走査速度、走査間隔、層厚などのレーザー加工パラメータを設定した後、コンピュータはレーザーを制御して高精度のレーザービームを照射します。レーザーは入力された3次元層状モデルデータに基づいて粉末層を選択的に走査します。粉末層上の走査領域はレーザーエネルギーを吸収し、温度が上昇し始めます。温度が粉末材料の軟化点または融点に達すると、走査された粉末が流動し始めます。個々の粉末粒子が互いに接触し、焼結ネックを形成して結合します。走査されていない領域は粉末状のまま残り、走査された領域の支持体として機能します。

レーザーが指定領域のスキャンを終えると、熱伝導によって熱の一部が下層の粉末層に伝達され、現在の層と下層の結合が形成されます。残りの熱は表面での対流と放射によってゆっくりと放散されます。温度が下がり始め、粉末粒子は徐々に冷却されて固化します。スキャンされた領域の粉末粒子が結合して、必要な形状が形成されます。

レーザーが1層のスキャンを完了すると、造形シリンダーが1層分下降し、同時に粉末供給シリンダーがそれに対応する高さだけ上昇します。次に、粉末散布ローラーが造形シリンダーに向かって移動・回転し、粉末供給シリンダーから余分な粉末を造形シリンダーの表面に押し出し、正確な層厚の新しい粉末層を形成します。その後、次の層が焼結されます。このプロセスは、部品全体が完成するまで層ごとに繰り返されます。

すべてのセクションの焼結が完了したら、造形物を粉末床から取り出します。表面や複雑な構造内部に残った未焼結粉末は丁寧に除去されます。その後、研磨や乾燥などの後処理工程を経て、最終的な三次元固体部品が完成します。

従来の切削加工とは全く異なる高速製造技術であるSLSは、部品製造​​において多くの利点を持っています。

• 幅広い材料供給源。理論的には、レーザー焼結後に粒子結合を実現できる粉末材料であれば、どのようなものでもSLS材料として使用できる。
• シンプルな製造プロセス。全工程はコンピュータ制御です。SLS装置で部品を成形するために必要なのは、モデル設計と原材料の準備のみです。製造プロセスは比較的単純です。
• 比較的高い成形精度。成形部品の精度は、レーザースキャン精度と熱影響部のサイズに依存し、これらはプロセスパラメータを変更することで調整可能です。
• サポート構造や金型を使用せずに複雑な形状の部品を製造するのに適しています。スキャンされていない領域の未焼結粉末が残存し、オーバーハング層を支えます。金型が不要なため、非常に複雑な形状でも成形可能です。
• 材料利用率が高い。一度の造形後に残った粉末は再利用できるため、材料利用率が向上し、コスト削減につながる。

選択的レーザー焼結プロセス

レーザー焼結技術は現在、さまざまな粉末材料を用いて対応する材料の部品を製造できる。このプロセスは成熟しているため、プリントされた部品は一般的に高い精度と強度を備えている。しかし、SLSの最大の利点は、完成した金属部品を直接プリントできることである。プリントされた部品は、試験要件を直接満たすことができる。レーザー焼結技術は、金属部品を直接または間接的に焼結することができ、最終的な材料強度は他の3Dプリント技術よりもはるかに優れている。

先に紹介したSLSプロセスの原理に基づくと、具体的なプロセスは以下のように要約できます。

1. 印刷中は、印刷チャンバー全体は常に粉末材料の融点よりわずかに低い温度に保たれる。
2. 成形済みの部品の上面に材料粉末を塗り広げ、平らにする。
3. 高出力CO₂レーザーを用いて、新たに形成された層上の部品の層部分に照射する。高出力レーザー照射により材料粉末が焼結され、下層に形成された部品と結合する。
4. 一層の焼結が完了すると、粉末散布システムが新たな粉末材料の層を散布し、次の層が印刷される。

レーザー焼結技術には明らかな利点がある一方で、欠点も存在する。第一に、粉末焼結では表面が粗くなるため、後処理として研磨が必要となる。第二に、高出力レーザーが必要となるため、設備費やメンテナンス費用が高額になり、さらに保護・制御部品も必要となる。装置全体の技術的な複雑さが高く、製造も困難である。一般ユーザーが導入するには費用がかかりすぎるため、大規模な普及は難しい。

選択的レーザー焼結プロセスのパラメータ

良質なSLS造形部品には、十分な精度と強度が必要です。精度が不十分だと、最終部品は要求を満たせません。強度が低すぎると、複雑な形状を維持したり、後処理を施したりすることができず、部品の損傷や強度不足につながります。粉末粒子が完全に軟化して結合して初めて、造形部品の強度を向上させることができます。そのためには、レーザー焼結領域で粉末粒子を溶融させるのに十分な熱が必要です。しかし、レーザーエネルギー密度が高すぎると、熱伝導によって大きな熱影響部が形成され、寸法誤差が大きくなり、造形精度が低下します。したがって、適切なプロセスパラメータを設定するには、レーザーエネルギー密度が強度と精度に及ぼす影響を総合的に考慮する必要があります。

レーザー出力

レーザーエネルギーの出力は主にレーザー出力によって決まります。粉末に作用するレーザーからの熱は、選択された領域の粉末に吸収されるか、周囲に伝導されるか、対流、放射、反射によって空気中に放出されるかの3つの経路をたどります。レーザービームは移動する熱源であり、粉末との相互作用時間は通常わずか数ミリ秒から数十ミリ秒です。そのため、粉末は急速に加熱および冷却されます。加熱中、粉末材料のレーザー吸収率、反射率、熱伝導率などの熱特性は温度によって変化します。粉末内部の各点の温度も常に変化します。これは非常に複雑で不安定な熱伝達プロセスです。

スキャン速度

レーザー焼結プロセスでは、レーザーが加工面を走査する際に、粉末粒子が溶融、流動、結合します。レーザーは点ごとに線状に、次に線ごとに面状に、そして最後に層ごとに固体状に走査します。走査速度が低下すると、レーザーエネルギー密度が増加し、走査点付近の材料が吸収するエネルギーも増加します。これにより溶融領域の幅と深さが拡大し、成形品の強度向上につながります。溶融領域の幅と深さは走査間隔と単層の厚さに大きく影響するため、走査速度はこれら2つのパラメータと連動して調整する必要があります。走査速度が遅いと製造効率が低下します。また、レーザーが境界を走査する際、溶融領域の幅が拡大することで熱影響部が広がり、成形品の精度が低下します。

スキャン間隔

走査間隔とは、2本の走査線間の距離のことです。レーザー走査では、走査線領域内の粉末のみが結合する必要があります。走査領域の温度場が周囲の粉末に与える影響は、できるだけ小さくする必要があります。走査間隔は通常、レーザースポット径よりわずかに小さく設定されます。これにより、隣接する走査線間にわずかな重なりが生じ、単層内に明らかな結合境界が形成されません。単層の結合がより均一になり、温度場が周囲領域に過度に影響を与えるのを防ぎ、グリーンパーツの寸法精度が向上します。

単層の厚さ

単層の厚さとは、粉末の塗布厚さを指し、これは造形シリンダーが毎回下降する高さです。レーザーエネルギー密度の分布は厚さ方向に減少するため、焼結可能な層の厚さは非常に限られています。層の厚さが大きすぎると、層間の結合が弱くなり、部品が剥離したり、高さ方向の強度が低下したりする可能性があります。層の厚さが小さすぎると、既に焼結された粉末の一部が再焼結され、成形品質に影響します。粉末塗布ローラーは粉末に下向きの圧力を加え、粉末の充填密度を高めます。したがって、単層の厚さが小さいほど、焼結部品の密度が高くなります。また、水平方向の力も作用し、層間にわずかなずれが生じ、精度が低下する可能性があります。特に曲面を持つ部品の場合、レーザー焼結では滑らかに移行できない段差のある表面が生成され、表面と形状の精度が低下します。

曲面を持つ部品の場合、レーザー焼結時に発生する誤差は、曲線の傾斜と単層の厚さの両方に関係します。層の厚さが増加すると、階段状の歪みがより顕著になり、実際の焼結部品と設計部品との間の体積、形状、およびサイズの誤差が大きくなります。したがって、曲面を持つ部品を焼結する際には、層の厚さを適切に減らし、加工方向を慎重に選択して、より高い精度を実現する必要があります。

レーザースポット径

レーザービームが粉末表面に当たると、一定サイズのスポットが形成されます。レーザービームで粉末を焼結する際、成形部品の輪郭線とスポット中心の走査経路との間にずれが生じ、部品の外形がわずかに大きくなります。さらに、スポットによって部品の鋭角が丸められ、形状精度に影響します。スポットサイズが成形精度に及ぼす影響は、粉末粒子サイズの影響を部分的に覆い隠します。レーザースポット径は成形効率にも大きな影響を与えます。同じ走査速度では、スポット径が大きいほどエネルギー密度分布の均一性が向上し、走査間隔が広くなり、効率が向上します。スポット径が小さいほど、層間の結合強度と部品の機械的特性が向上します。可変スポット技術を使用すると、境界では小さなスポットを走査し、内部では大きなスポットを走査することができます。これにより、走査効率が向上し、変形が軽減され、高強度部品を製造できます。

選択的レーザー焼結材料

SLS技術は粉末床式積層造形技術であるため、粉末材料の特性はSLS部品の性能に大きな影響を与えます。中でも、粉末の粒径、粒度分布、および形状が最も重要です。SLS技術は幅広い成形材料に対応しており、国内外で多くのSLS材料が開発されています。材料特性に基づいて、金属系材料、セラミック系材料、ポリマー系材料などに分類できます。

高分子材料

SLS技術の優れた利点の1つは、ポリマー、金属、セラミックなど、さまざまな材料を加工できることです。金属やセラミックと比較して、ポリマー材料は、成形温度が低く、焼結レーザー出力が小さく、精度が高いという利点があります。これらは最も初期かつ最も成功したSLS印刷材料であり、現在でも重要な位置を占めています。その種類の多様性、性能、およびさまざまな改質技術により、SLSでの応用には広い余地があります。SLS技術では、ポリマー材料を平均粒子サイズが10～100μmの固体粉末にする必要があります。これらは、深刻な劣化を起こすことなく、レーザーエネルギーを吸収した後、溶融（または軟化、反応）して結合する必要があります。現在、SLSに使用される主なポリマー材料は、熱可塑性樹脂とその複合材料です。熱可塑性樹脂は、結晶型と非晶型に分類できます。

非晶質ポリマー

非晶質ポリマーはガラス転移温度（Tg）で分子鎖の活発な運動を開始し、粉末は流動性が低下して結合し始めます。そのため、SLSでは非晶質ポリマー粉末の予熱温度はTgを超えてはなりません。焼結体の反りを軽減するために、通常はTgよりわずかに低い温度に設定されます。材料がレーザーエネルギーを吸収すると、温度がTgを超えて焼結が起こります。非晶質ポリマーはTgで高い粘度を持ち、焼結速度は粘度に反比例します。このため、焼結速度は非常に遅く、焼結体の密度と強度は低くなります（多孔質構造）。しかし、寸法精度は高くなります。理論的には、レーザーエネルギー密度を上げると密度が高くなりますが、実際には、エネルギー密度が高すぎるとポリマーが激しく分解し、逆に密度が低下します。また、二次焼結が促進され、精度も低下します。したがって、非晶質ポリマーは通常、高い強度を必要としないが、高い寸法精度を必要とする部品の製造に使用されます。 SLSで使用される一般的な非晶質ポリマーには、ポリカーボネート（PC）、ポリスチレン（PS）、高耐衝撃性ポリスチレン（HIPS）、ポリメチルメタクリレート（PMMA）などがある。

結晶性ポリマー

結晶性ポリマーの焼結温度は融点（Tm）以上です。Tm以上では、結晶性ポリマーの溶融粘度が非常に低いため、焼結速度が速く、焼結体の密度が非常に高く、一般的に95%以上になります。したがって、材料の固有強度が高い場合、結晶性ポリマーの焼結体も高い強度を持ちます。しかし、結晶性ポリマーは溶融および結晶化の際に大きな収縮を起こし、焼結による体積収縮も非常に大きくなります。そのため、焼結中に反り変形を起こしやすく、寸法精度が低下します。現在、SLSで最も一般的に使用されている結晶性ポリマーはナイロンです。ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトンなどの他の結晶性ポリマーもSLS技術で使用されています。

工業用熱可塑性ポリマー製品は通常、顆粒状です。顆粒状のポリマーは、SLSプロセスで使用する前に粉末状にする必要があります。ポリマー材料は粘弾性を持っています。室温で粉砕すると、発生する熱によって粘弾性が増大し、粉砕が困難になります。また、粉砕された粒子が再結合して粉砕効率が低下したり、溶融延伸を引き起こしたりすることもあります。そのため、従来の粉砕方法ではSLSに適した粉末を製造することはできません。ミクロンレベルのポリマー粉末を製造する主な方法は、極低温粉砕です。この方法は、ポリマー材料の低温脆性を利用して粉末を製造します。ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメタクリレート、ナイロン、ABS、ポリエステルなどの一般的なポリマー材料はすべて、極低温粉砕によって粉末にすることができます。

セラミック系粉末材料

セラミック材料は融点が非常に高いため、レーザーで直接溶融することは困難です。セラミック部品は間接的な方法でも製造されます。SLS成形では、レーザーがバインダーを溶融し、セラミック粉末を結合させて所望の形状を得ます。その後、浸透や静水圧プレスなどの後処理工程を用いて、セラミック部品に十分な密度と強度を与えます。バインダーの添加量が少なすぎると、セラミック粒子を結合させることが難しくなり、剥離が起こりやすくなります。バインダーの添加量が多すぎると、成形体中のセラミックの体積分率が小さくなりすぎて、脱脂時にひび割れ、収縮、変形が起こりやすくなります。バインダーの添加方法は主に機械的混合とコーティング法です。コーティング法は通常、溶解、沈殿、または溶媒蒸発によって行われます。

金属系粉末材料

SLS（選択レーザー焼結）は、金属粉末とポリマー粉末（バインダー）を均一に混合することで金属粉末を間接的に成形するプロセスです。レーザーエネルギーが粉末材料に吸収されると、温度上昇が生じ、ポリマーバインダーが軟化または溶融して粘性流動状態になり、金属粉末が結合して初期の金属グリーン部品が形成されます。その後、脱脂、高温焼結、金属浸透、または樹脂含浸などの工程を経て、最終的な金属部品が得られます。

さらに、別の方法として、銅や錫などの低融点金属粉末をバインダーとして用いて複合金属部品を製造する方法がある。このタイプのバインダーは成形後もグリーン部分に残る。低融点金属バインダー自体が高強度であるため、グリーン部分は高密度かつ高強度となり、脱脂や高温焼結工程を経ずに高性能な金属部品が得られる。SLM技術の発展に伴い、SLSを用いた金属部品製造に関する研究は次第に少なくなってきている。

選択的レーザー焼結の応用

インベストメント鋳造パターン

大型プラットフォームSLS装置を使用すれば、大型で複雑な精密インベストメント鋳造パターンや砂型を数日、あるいは数時間で成形できます。成形工程では、あらかじめ設定された予熱温度で、粉末散布ローラーを用いて作業台上に粉末層を敷き詰めます。次に、コンピュータ制御のレーザービームが、パターンまたは砂型の断面輪郭情報に基づいて、固体領域の粉末をスキャンします。これにより粉末の温度が融点まで上昇し、粒子境界が溶融して粉末同士が結合します。焼結されていない領域の粉末は緩いまま残り、ワークピースと次の層を支えます。1層が形成されると、作業台が1層分下降し、次の層の粉末散布と焼結が行われます。このサイクルを繰り返して、3次元パターンと砂型が成形されます。このようにして迅速に成形されたパターンと砂型は、中国の航空宇宙、軍事、造船、自動車、工作機械などの重要な分野における主要部品の製造に、インベストメント鋳造や砂型鋳造で使用されます。これにより、工程数を削減し、サイクルタイムを短縮し、コストを削減することで、鋳造における「コストとサイクルタイムの両方を半減する」という目標を達成し、従来の鋳造技術を向上させることができます。したがって、SLSを用いてコーティング砂型を製造することは、鋳造分野において幅広い可能性を秘めています。

バイオ製造

SLSを用いて、個別化医療用インプラントや組織工学用足場用の生体高分子を形成することは、現在SLS分野における研究のホットスポットの一つです。コンピュータ支援設計により、SLS技術は、構造と機械的特性を制御可能な三次元多孔質組織足場や個別化生体インプラントを製造できます。多孔性、細孔形状、細孔サイズ、外部構造を効果的に制御できるため、細胞の接着、分化、増殖を促進し、足場の生体適合性を向上させることができます。現在、SLSに適した生体高分子は、主にポリ乳酸（PLLA）、ポリカプロラクトン（PCL）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリビニルアルコール（PVA）などの合成高分子材料です。これらは、良好な生体活性を得るために、ヒドロキシアパタイト（HAp）やβ-リン酸三カルシウム（β-TCP）などの生体活性セラミック材料と組み合わされることがよくあります。

ポリマー製機能部品

SLS（選択的レーザー焼結）によって成形されたポリマー部品は優れた性能を持ち、プラスチック機能部品としてそのまま使用できます。SLS成形に使用される材料は主に熱可塑性樹脂とその複合材料です。熱可塑性樹脂は結晶性タイプと非晶性タイプに分類されます。結晶性ポリマーと非晶性ポリマーは熱特性が全く異なるため、レーザー焼結パラメータの設定や部品の性能に大きな違いが生じます。

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3Dプリント技術を網羅しています。当社のSLS 3Dプリントの許容誤差と能力は以下のとおりです。

SLS方式でプリントされた部品の表面仕上げ

染色染色法は、最も効率的かつ経済的な着色方法として、主にSLS部品の美観向上に利用されています。部品の寸法を変えることなく、均一な着色を実現します。

• 対応素材：PA12、PA12-GF、TPU
• カラーパレット：ブラック、パントンカラー、RALカラー

スプレー塗装染色が適さない用途や、特殊な仕上げが求められる用途において、スプレー塗装は汎用性の高い代替手段となります。正確な色合わせと優れた表面被覆力により、高級感のある仕上がりを実現します。

• 対応材料：すべてのSLS材料
• カラーパレット：ブラック、パントンカラー、RALカラー

蒸気平滑化このプロセスでは、化学蒸気処理によってSLS部品の表面を精製・密封します。表面の多孔性を除去し、亀裂発生箇所を低減することで、機械的性能、特に破断伸び、耐衝撃性、疲労強度を大幅に向上させます。

• 対応素材：PA12、TPU