選択的レーザー焼結

選択的レーザー焼結（SLS）は、粉末材料（通常はナイロンまたはポリアミド）を焼結するための電力および熱源としてレーザーを使用する付加製造（AM）技術であり、 3Dモデルによって定義された空間内のポイント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おり、2つ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構成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法（SLS）は、1980年代半ばにDARPAの支援を受けて、テキサス大学オースティン校のカール・デッカード博士と学術顧問のジョー・ビーマン博士によって開発され、特許を取得しました。^[4]デッカードとビーマンは、SLSマシンの設計と製造のために設立された新興企業、Desk Top Manufacturing（DTM）社に関与しました。2001年に、DTM社とSLS技術の最大の競合企業である3D Systems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が、商業化には至らなかった。^[7]

SLS では高出力レーザーを使用する必要があるため、家庭で使用するには高価すぎる場合が多く、危険すぎる可能性もあります。クラス 1 の安全筐体を備えた市販のレーザー システムがないため、SLS 印刷には費用がかかり、潜在的な危険性もあるため、SLS 印刷の家庭市場は、熱溶解積層法(FDM)などの他の積層製造技術の市場ほど大きくありません。

積層造形技術である SLS では、高出力レーザー(二酸化炭素レーザーなど)を使用して、プラスチック、金属、セラミック、ガラスの粉末の小さな粒子を融合し、目的の 3 次元形状の塊を作ります。レーザーは、部品の 3D デジタル記述 ( CADファイルやスキャン データなど) から生成された断面をパウダー ベッドの表面でスキャンすることにより、粉末材料を選択的に融合します。各断面をスキャンした後、パウダー ベッドを 1 層分下げ、その上に新しい材料の層を適用し、部品が完成するまでこのプロセスを繰り返す必要があります。^[8]

完成品の密度はレーザーの持続時間ではなくピークレーザー出力に依存するため、SLSマシンでは通常パルスレーザーが使用されます。SLSマシンは粉末床内のバルク粉末材料を融点よりわずかに低い温度に予熱し、レーザーが選択した領域の温度を融点まで上げやすくします。^[9]

SLA や FDM では、ほとんどの場合、張り出したデザインを製作するために特別なサポート構造が必要ですが、SLS では、製作中のパーツが常に未焼結粉末に囲まれているため、サポート材料用の別のフィーダーは必要ありません。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。また、マシンのチャンバーは常に粉末材料で満たされているため、複数のパーツを製作しても、デザインの全体的な難易度と価格に与える影響ははるかに少なくなります。これは、「ネスティング」と呼ばれる技術により、複数のパーツをマシンの境界内に収まるように配置できるためです。ただし、注意すべき設計上の点の 1 つは、SLS では、中空でありながら完全に囲まれた要素を製作することは「不可能」であるということです。これは、要素内の未焼結粉末を排出できないためです。

特許の期限が切れ始めてから、手頃な価格の家庭用プリンターが実現可能になったが、加熱プロセスは依然として障害であり、最大5kWの電力消費と、取り出し前の予熱、溶解、保管の3段階で2℃以内に温度を制御する必要がある。[1] 2015-04-28にWayback Machineでアーカイブ

印刷された構造物の品質は、粒子のサイズや形状、密度、粗さ、多孔度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、粒子の分布と熱特性は粉末の流動性に大きく影響します。^[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し、望ましい機械的特性を持つ部品が得られるため、最も一般的に使用されている SLS 材料です。^[13] ポリカーボネート(PC) は、その高い靭性、熱安定性、耐炎性から、SLS で非常に興味深い材料ですが、SLS で処理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した部品になる傾向があるため、これらが重要でない用途に限定されます。^[13]選択的レーザー溶融法の開発以来、金属材料は SLS ではあまり使用されていません。

粉末粒子は、通常、材料のガラス転移温度よりはるかに低い温度でボールミルで極低温粉砕することによって製造されます。ガラス転移温度は、ドライアイス（乾式粉砕）などの極低温材料を添加して粉砕プロセスを実行するか、液体窒素と有機溶媒の混合物（湿式粉砕）を実行することで到達できます。 [ ^{14 ]}このプロセスにより、直径5ミクロンほどの球形または不規則な形状の粒子が得られます。[14]粉末の粒子サイズ分布は通常ガウス分布で、直径15〜100ミクロンの範囲ですが、SLSプロセスのさまざまな層の厚さに合わせてカスタマイズできます。^[15]化学バインダーコーティングは、後処理で粉末表面に塗布できます。^{[16]これらのコーティングは焼結プロセスを助け、}熱硬化性エポキシ樹脂でコーティングされたアルミナ粒子などの複合材料部品を形成するのに特に役立ちます。^[15]

SLS における焼結は主に液体状態で起こり、粉末粒子が表面にマイクロメルト層を形成して粘度が低下し、粒子間に凹状の放射状の橋が形成されます。これはネッキングと呼ばれ、^[16]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かすことです。固体状態の焼結も、影響ははるかに少ないものの、寄与要因であり、材料の融点よりも低い温度で起こります。このプロセスの主な原動力は、やはり材料が自由エネルギー状態を下げ、粒子全体に分子が 拡散する反応です。

SLS 技術は、製造にほとんど手間をかけずに複雑な形状を簡単に作ることができるため、世界中の多くの業界で広く使用されています。最も一般的な用途は、インベストメント鋳造パターン、自動車ハードウェア、風洞モデルなど、設計サイクルの早い段階での試作部品です。SLS は、航空宇宙、軍事、 ^[17]医療、製薬、^[18]および電子ハードウェアの最終用途部品を生産するための限定生産にもますます使用されています。現場では、SLS を使用してツール、治具、固定具を迅速に製造できます。^[19]

• 焼結粉末ベッドは完全に自立しており、次のことが可能です。
  • 高い張り出し角度（水平面から0～45度）
  • コンフォーマル冷却チャネルなど、部品の奥深くに埋め込まれた複雑な形状
  • 3D配列で製造された複数の部品のバッチ生産（ネスティングと呼ばれるプロセス）
• 部品は高い強度と剛性を備えています
• 優れた耐薬品性
• さまざまな仕上げの可能性（例：メタライゼーション、ストーブエナメル加工、振動研削、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℃に準拠した生体適合性
• 内部コンポーネントを備えた複雑な部品を、材料を内部に閉じ込めたり、サポートの除去によって表面を変更したりすることなく構築できます。
• 機能的、耐久性のあるプロトタイプやエンドユーザー部品を印刷するための最速の積層製造プロセス
• 強度、耐久性、機能性に優れた多様な素材
• 信頼性の高い機械的特性により、部品は一般的な射出成形プラスチックの代替となることが多い。

• ^{部品は多孔質表面を有しており、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ます。

• 3Dプリント
• デスクトップ製造
• デジタルファブリケーター
• ダイレクトデジタル製造
• ファブラボ
• 熱溶解積層法（FDM）
• 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
• RepRap プロジェクト
• ソリッドフリーフォーム製造
• ステレオリソグラフィー（SLA）
• フォン・ノイマンの万能構築子

• 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
• レーザー焼結、溶融など - SLS、SLM、DMLS、DMP、EBM、SHS