選択的レーザー焼結

選択的レーザー焼結（SLS）は、レーザーを動力源および熱源として使用して粉末材料（通常はナイロンまたはポリアミド）を焼結する積層造形（AM）技術であり、 3D モデルで定義された空間上の点にレーザーを自動的に照射し、材料を結合して固体構造を作成します。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}これは選択的レーザー溶融に似ています。両者は同じ概念の具体化ですが、技術的な詳細が異なります。SLS（および前述の他の AM 技術）は比較的新しい技術であり、これまでは主にラピッド プロトタイピングと部品の少量生産に使用されてきました。AM 技術の商業化が進むにつれて、生産の役割は拡大しています。

選択的レーザー焼結（SLS）は、1980年代半ばにテキサス大学オースティン校のカール・デッカード博士と指導教官のジョー・ビーマン博士によって、 DARPAの支援を受けて開発され、特許を取得しました。^{[ 4 ]}デッカードとビーマンは、SLSマシンを設計・製造するために設立されたスタートアップ企業、Desk Top Manufacturing（DTM）社に関わっていました。2001年、DTM社とSLS技術の最大の競合相手である3D Systems社がDTM社を買収しました。^{[ 5 ]}デッカードのSLS技術に関する最新の特許は、1997年1月28日に発行され、2014年1月28日に失効しました。^{[ 6 ]}

同様のプロセスは、1979年にRFハウスホルダーによって特許取得されたものの、商業化には至らなかった。^{[ 7 ]}

SLS方式は高出力レーザーを使用するため、家庭での使用には費用がかかりすぎるだけでなく、危険性も伴う場合が多い。クラス1の安全筐体を備えた市販のレーザーシステムが不足していることから、SLS方式の印刷には費用がかかり、潜在的な危険性も伴うため、SLS方式の印刷の家庭市場は、溶融堆積モデリング（FDM）などの他の積層造形技術の市場ほど大きくはない。

積層造形技術であるSLSは、高出力レーザー（例えば、二酸化炭素レーザー）を使用して、プラスチック、金属、セラミック、またはガラスの粉末の微粒子を融合させ、所望の三次元形状の塊を形成する技術です。レーザーは、部品の3Dデジタル記述（例えば、CADファイルまたはスキャンデータ）から生成された断面を粉末床の表面上でスキャンすることにより、粉末材料を選択的に融合させます。各断面がスキャンされた後、粉末床は1層分下げられ、その上に新しい材料層が塗布され、部品が完成するまでこのプロセスが繰り返されます。^{[ 8 ]}

完成品の密度はレーザー照射時間ではなくピークレーザー出力に依存するため、SLS装置は通常パルスレーザーを使用します。SLS装置は粉末床内のバルク粉末材料を融点よりやや低い温度に予熱し、レーザーが選択された領域の温度を融点まで上昇させやすくします。^{[ 9 ]}

オーバーハング形状を製作するために特別なサポート構造が必要となることが多いSLAやFDMとは対照的に、SLSでは、製作中の部品が常に未焼結粉末に囲まれているため、サポート構造のための追加材料や特別な配慮は必要ありません。これにより、これまで不可能だった形状の製作が可能になります。機械のチャンバーは常に粉末材料で満たされているため、「ネスティング」機能を使用して複数の部品を一度に印刷することで、時間とコストを節約できます。SLAやFDMのプリントでは中空でありながら完全に密閉された部品を作成できますが、SLSでは中空の筐体には内部の未焼結粉末を排出するための開口部が必要です。

関連特許の期限切れが始まったことで、手頃な価格の家庭用SLSプリンターが実現可能になったが、加熱プロセスには依然として厳しい要件があり、最大5kWの電力消費量と、予熱、溶融、取り出し前の保管という3段階の温度を2℃ 以内に制御する必要がある。 Wayback Machineに2015年4月28日にアーカイブされました

印刷された構造物の品質は、粒子サイズや形状、密度、粗さ、多孔性などの粉末特性を含むさまざまな要因に依存します。^{[ 10 ]}さらに、粒子分布とその熱特性は、粉末の流動性に大きな影響を与えます。^{[ 11 ]}

SLSで使用される市販の材料は粉末状で、ポリアミド（PA）、ポリスチレン（PS）、熱可塑性エラストマー（TPE）、ポリアリールエーテルケトン（PAEK）などのポリマーが含まれますが、これらに限定されません。^{[ 12 ]}ポリアミドは、半結晶性熱可塑性樹脂として理想的な焼結挙動を示すため、最も一般的に使用されるSLS材料であり、望ましい機械的特性を持つ部品が得られます。^{[ 13 ]}ポリカーボネート（PC）は、高い靭性、熱安定性、難燃性のため、SLSにとって非常に興味深い材料ですが、SLSで加工されたこのような非晶質ポリマーは、機械的特性や寸法精度が低下する傾向があり、そのため、これらの重要性が低い用途に限定されます。^{[ 13 ]}金属材料は、選択的レーザー溶融法の開発以来、SLSでは一般的に使用されていません。

焼結メカニズム

SLSにおける焼結は、粉末粒子が表面に微小溶融層を形成する際に主に液体状態で発生し、その結果、粘度が低下し、粒子間に凹状の放射状ブリッジ（ネッキングと呼ばれる）が形成されます^{[ 16 ]。}これは、材料が表面エネルギーを下げようとする反応によるものです。コーティングされた粉末の場合、レーザーの目的は、バインダーとして機能する表面コーティングを溶融することです。固体焼結も寄与要因ですが、その影響ははるかに小さく、材料の融点以下の温度で発生します。このプロセスの主な駆動力は、やはり材料が自由エネルギー状態を下げようとする反応であり、その結果、分子が粒子全体に拡散します。

SLS技術は、複雑な形状をほとんどまたは全く追加の製造労力なしに容易に作成できるため、世界中の多くの産業で広く使用されています。最も一般的な用途は、設計サイクルの初期段階における試作品部品、例えば精密鋳造パターン、自動車用ハードウェア、風洞モデルなどです。SLSはまた、航空宇宙、軍事^{[ 17 ]} 、医療、製薬[ ^{18 ] 、}電子機器ハードウェア向けの最終用途部品を製造するための少量生産にもますます使用されています。工場現場では、SLSは工具、治具、固定具の迅速な製造に使用できます。^{[ 19 ]}

• 焼結粉末層は完全に自立しており、以下のことが可能になります。
  • 高い張り出し角度（水平面から0～45度）
  • 部品内部に深く埋め込まれた複雑な形状、例えばコンフォーマル冷却チャネルなど
  • 3Dアレイで製造された複数の部品をバッチ生産するプロセスは、ネスティングと呼ばれます。
• 部品は高い強度と剛性を備えている
• 優れた耐薬品性
• 様々な仕上げ加工が可能（例：金属蒸着、焼付ホーロー加工、振動研磨、浴槽着色、接着、粉体塗装、コーティング、植毛）
• EN ISO 10993-1 ^{[ 20 ]}および USP/レベル VI/121  °Cに準拠した生体適合性
• 内部部品を含む複雑な部品でも、材料を内部に閉じ込めたり、サポート材の除去によって表面を変化させたりすることなく製造できる。
• 機能性、耐久性、試作品、エンドユーザー向け部品を印刷するための最速の積層造形プロセス
• 強度、耐久性、機能性に優れた多種多様な素材
• 機械的特性が優れているため、部品は一般的な射出成形プラスチックの代替として使用できることが多い。

• ^{部品は多孔質の表面を有しており、シアノアクリレートコーティング[ 21 ]}や熱間等方圧プレスなどのさまざまな後処理方法によって密封することができる。

• 3Dプリンティング
• デスクトップ製造
• デジタルファブリケーター
• 直接デジタル製造
• 電子ビーム溶解
• ファブラボ
• 溶融フィラメント製造
• 即時製造（直接製造またはオンデマンド製造とも呼ばれる）
• 迅速な製造
• ラピッドプロトタイピング
• レップラップ・プロジェクト
• 選択的熱焼結
• 固体自由形状加工
• ステレオリソグラフィー
• フォン・ノイマンの万能構成者

• DMLS – 開発の歴史と最新技術
• 選択的レーザー焼結、産業の誕生