製品の設計と開発の進歩により、新しく効果的なプロトタイプの開発が容易になりました。そして、これらのコンセプトのいくつかがどのように機能するかを見るのは興味深いことです。
しかし、長年にわたり、直接金属レーザー焼結ほど高く評価されてきた製品製造技術は多くありません。この記事では、この方法がなぜそれほど優れているのか、そして製造業者がそれを最大限に活用するにはどうすればよいのかについて検討します。
直接金属レーザー焼結法とは何ですか?
直接金属レーザー焼結 (DMLS) は、金属部品やパーツの製造に使用される一般的な積層造形技術です。選択的レーザー焼結 (SLS) のさまざまな形態の 1 つである直接金属レーザー焼結 DMLS プロセスは、金属粉末で動作するように特別に設計されており、製造業者はレーザーを使用して層ごとに異なる粉末粒子を融合します。
DMLS は、金属プロトタイプを開発するための最も一般的な付加的方法の 1 つです。プラスチック樹脂の選択的レーザー焼結と多くの類似点がありますが、幅広い金属を扱うのに便利な点が異なります。
また、この材料は小型の金属部品や形状の製造に特に有用であることも特筆すべき点です。積層造形機能を備えているため、従来の製造装置では困難な形状を、ダイレクトメタルレーザー焼結装置を用いて再現できます。積層厚は20ミクロン程度まで薄くすることができ、微細形状の公差も±0.002インチの範囲に収まります。.
次に、溶解焼鈍などの処理プロセスを追加する可能性に留意する必要があります。 熱間静水圧処理（HIP） DMLS プロセスで作成された部品の機械的特性を改善します。これらのいずれかを使用すると、焼結プロセスの副産物として作用するあらゆる応力を取り除くことができ、信頼性と効率性の両方を備えた製品が実現します。
直接金属レーザー焼結と選択的レーザー溶融、一般的に、この選択的レーザー溶融プロセスは、複雑な製品形状や、優れた機械的能力を備えた機能的な金属部品を作成できる点で特に評価されています。直接レーザー金属焼結を使用すると、複数の業界で役立つプロセスが得られ、時間のかかる従来の製造プロセスを必要とせずに、迅速かつ効果的な製品プロトタイプの作成と少量の金属部品の生産が可能になります。
DMLSプロセス: 直接金属レーザー焼結の仕組み
ダイレクト メタル レーザー シンタリングの定義について説明しましたので、次に、このプロセスがどのように機能し、どのような結果が得られるかを見てみましょう。では、ダイレクト メタル レーザー シンタリングはどのように機能するのでしょうか。
一般的に、製品メーカーはこのプロセスに対してさまざまなアプローチを取る傾向があります。したがって、ここでは万能のアプローチはありません。ただし、KDM Fabrication では、直接金属レーザー焼結プロセスに対して次の順序に従う傾向があります。
- 初期部品設計: ダイレクト メタル レーザー シンタリング サービスを開始するには、作成する部品のデジタル モデルを作成することから始めます。ダイレクト メタル レーザー シンタリング 3D 印刷では、コンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアとダイレクト メタル レーザー シンタリング 3D プリンターを使用して、材料特性やサポート構造などの要素を考慮した積層造形に適したプロトタイプを作成できます。
- 金属粉末の準備: 次に、高品質の金属粉末（通常は球状の粒子）を入手します。金属粉末を選ぶ際には、最終製品の製造に向けて、金属粒子の形状とサイズを考慮しながら、目的とする部品の材料要件を検討することが重要です。.
- ビルドプラットフォームの準備: DMLS マシン内のビルド プラットフォームをクリーンアップし、金属粉末の薄い層でコーティングします。この層は、モデル化された 3D オブジェクトの最初の層として機能するため、正しく行うことが重要です。
- 最初の層の堆積: このステップでは、DMLS マシンがリコーター ブレードを使用して、ビルド プラットフォーム全体に特定の層の金属粉末を広げます。層の厚さを決定するにはマシンの仕様を設定する必要があるので、その点に注意してください。
- レーザースキャンと融合: 粉末層は高出力レーザービームと接触します。ほとんどの場合、ビームはファイバーまたはカーボンで作られています。CAD にデータが入力され、制御され、ビームは現在の層の断面パターンに基づいて金属粉末粒子を溶かして結合します。
- 凝固と結合: スキャン処理中、レーザーは粒子を融点に近い温度まで加熱します。この動作により、金属粒子はシームレスに融合し、1 つの層に固まります。
- レイヤーごとの構築: 最初の層が完成すると、ビルド プラットフォームが下げられ、次の金属粉末層のためのスペースが確保されます。ローラーが最初の層の上に別の金属粉末層を塗布し、レーザーが新しい層をスキャンします。このプロセスが繰り返され、下の層と接合する別の層が作成されます。
- 冷却と凝固: すべての層が接合されたら、変形や反りを防ぐために金属部品を冷却します。金属が適切に凝固するように、冷却速度を注意深く監視することが重要です。
- サポート構造: 過度に複雑な形状やオーバーハングのある部品を作成する場合は、印刷中に金属粉末が崩壊するのを防ぐために一時的なサポート構造を追加する必要があります。
- 印刷完了: 金属オブジェクト全体を印刷できるようになるまで、レイヤーのスキャンと融合のプロセスを続けます。
- 後処理: 印刷プロセスが完了したら、金属部品をビルド プラットフォームから取り外し、余分な金属粉末を回収して再利用できます。追加の後処理手順には、熱処理、表面仕上げ、および適切な部品の外観と特性を実現するのに役立つ追加の仕上げプロセスが含まれます。
DMLSで使用される最も一般的な材料
DMLS プロセスの最も興味深い点の 1 つは、幅広い材料に対応していることです。材料は多様であるため、モデリングしながら部品を作成できる直接金属レーザー焼結 DMLS 3D プリンターを見つけることができます。
このプロセスで使用される最も代表的な材料には、次のものがあります。
- ステンレス鋼: 316L鋼から17-4PHまで、ステンレス鋼合金はDMLSプロセスで非常に人気があります。その強度と耐食性により、様々な産業における多様な用途に適しています。.
- アルミニウム： あなたも見ることができます アルミニウム AlSi10Mg などの合金は、DMLS プロセスに軽量構造と優れた熱伝導性をもたらします。強力な機械的特性と軽量が求められる用途では、非常に有効に機能します。
- チタン： チタンとその合金、例えば Ti6Al4V (グレード 5 チタンとも呼ばれる) は、優れた強度対重量比、耐腐食性などで知られています。直接金属レーザー焼結チタンを使用すると、製造プロセスが簡単になり、さまざまなメリットが得られます。
- インコネル: インコニー合金の優れた耐熱性と耐腐食性については、多くのことが語られています。DMLS とインコネルを使用すれば、過酷な環境でも問題なく機能する製品を作成できます。
- コバルトクロム（CoCr）： コバルトとクロムで作られた合金は、優れた耐摩耗性と生体適合性も提供します。DIY 直接金属レーザー焼結は複雑になる可能性がありますが、可能です。
- 工具鋼: あなたは得ることができます 工具鋼材料 DMLS プロセスの D2 や H13 など。硬度と耐摩耗性に優れているため、ツール機能に特に最適です。
- 銅合金: 高い熱伝導性が求められる用途では、銅合金と DMLS プロセスが正確に機能します。
- ニッケルベース合金: インコネルについてはすでに触れました。ただし、利用可能なニッケルベースの合金はインコネルだけではないということを覚えておくことが重要です。モネル、ハステロイ、およびこのカテゴリの他の合金も DMLS プロセスに適しており、インコネルと同様の利点を提供します。
- 貴金属: 同時に、プラチナや金などの貴金属を加工できる DMLS マシンもいくつかあります。これは、ジュエリー業界では特に顕著です。
全体的に、材料の入手可能性は、あなたの能力と、あなたが使用している特定の直接金属レーザー焼結装置によって決まる可能性が高いことを覚えておいてください。幸いなことに、KDM Fabrication にはあなたに最適なツールセットがあります。
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材料選択の際の考慮事項
ご想像のとおり、適切な材料の選択は、DMLS プロセス全体から最大限の成果を得る上で重要な役割を果たします。これを念頭に置いて、今後材料を選択する際に留意すべき重要な考慮事項をいくつか示します。
- 機械的特性: まず、特定の用途に必要な機械的特性を考慮に入れます。これは、次のような要素を検討することを意味します。 抗張力, 降伏強度, 硬度など。お客様の要件を満たす、またはそれを上回る素材であれば、錠前として使用できるはずです。.
- 化学的適合性: 部品が過酷な環境に晒される必要がある状況では、当然のことながら、最適な耐薬品性と適合性を備えた材料が必要になります。
- 熱特性: 次に、材料の熱膨張と熱伝導率に注目します。特に熱伝達を効率的に管理する必要がある場合、一部のアプリケーションでは熱伝導率の高い材料や低い材料が必要になることに気付くかもしれません。
- 生体適合性: これはすべての機能に当てはまるわけではありません。ただし、医療分野では、人体とうまく相互作用できる生体適合性材料を検討することをお勧めします。
- 重さ： 用途によっては、重量が重要な要素となる場合があります。必要な強度と特性を備えつつ、部品の重量をできるだけ抑えられる材料を選択してください。.
- 料金： 直接金属レーザー焼結機のコスト。もちろん、誰もがプロセスを進める際にコストを節約したいと考えています。したがって、予算内で作業し、予算にぴったり合う材料を選択してください。直接レーザー焼結機のコストとプロセスに関連するその他の価格を調べ、全体的にコスト効率の高いプロセスを作成する方法を検討してください。
- 印刷性と加工性: どのマシンを選択する場合でも、所有している特定の DMLS マシンと連携してうまく機能する必要があります。すべてのマシンがあらゆる材料を処理できるわけではないので、マシンが全体的に十分に効果的であることを確認してください。
- 粉末の入手可能性と粒子サイズ: 始める前に、材料を調べて、それが粉末の形で入手できるかどうかを確認します。同様に、適切な粒度分布があることを確認します。
- 寸法精度と収縮率: 材料のばらつきは、印刷および冷却プロセス中の収縮レベルにも影響します。したがって、選択する際には、部品の寸法精度要件と、材料の収縮が最終寸法に及ぼす可能性のある影響を検討してください。
- 表面仕上げと後処理: 材料によっては、加工後にさらに大規模な処理が必要になる場合があります。その可能性と、それに伴う可能性のあるコストを考慮してください。
- 設計の複雑さ: 材料によっては、複雑で入り組んだ形状に適しているものもあれば、単純な構造展開にしか適さないものもあります。作業を進める際には、この点を念頭に置いてください。.
直接金属レーザー焼結の利点と限界
他の製造プロセスと同様に、DMLS には良い点と悪い点があります。そして、それぞれの点がどのような影響を与えるかを理解することは、長期的には重要です。ここでは、直接金属レーザー焼結の利点と、材料の欠点について説明します。
DMLS: 利点
- 複雑な幾何学: DMLS を使用すると、従来の製造方法では必ずしも対応できない複雑で入り組んだ形状を適切に製造できます。
- ラピッドプロトタイピング: DMLS では、迅速な反復と迅速なプロトタイピングも可能になり、新しい設計の開発とテストに必要な時間とコストが削減されます。
- ツールは不要: 従来の製造プロセスとは異なり、DMLS を使用する場合は特殊なツールは必要ありません。つまり、初期コストは一般的に低くなる傾向があります。
- 素材の多様性: DMLS では、幅広い材料との互換性を享受できます。これにより、複数の業界でより多目的なアプリケーションが可能になります。
- 廃棄物の削減: 添加物の性質上、このプロセスでは無駄がほとんど発生しません。各部品に必要な量の材料粉末のみが使用されることがわかります。
- カスタマイズ: DMLS（直接金属レーザー焼結）では、容易なカスタマイズが可能となり、お客様の特定のニーズに合わせたオーダーメイドの部品を製造できます。.
- デザインの自由度: デザイナーには、DMLS を使用してさまざまな部品を革新し構築する創造的な自由があります。考えれば、構築できます。
DMLS: 考えられるデメリット
- 料金： DMLSは多くの利点がある一方で、特に従来の製造方法と比較すると、比較的高価になる場合があります。また、より大きな部品を製造するようになると、コストは上昇し続ける傾向があります。.
- 後処理の要件: DMLS プロセス自体に続いて、部品を準備するための追加の後処理手順が必要になります。
- サイズ制限: DMLS マシンのビルドボリュームによって、製造できる部品のサイズが制限される可能性があるため、大規模な製造には適していません。
全体的に見ると、直接レーザー金属焼結の長所と短所は、このプロセスの方が利点が多いことを示しています。
DMLS コスト: この製造方法にはいくら支払うべきでしょうか?
DML のような製造プロセスでは、コストを考慮する必要があります。一部の情報源では、DMLS 部品のコストは $100 から $2,000 の間とされています。ただし、製造業者としては、全体のコストは次のように分類できることを覚えておく必要があります。
機械およびセットアップコスト: まず、DMLS セットアップへの初期投資を考慮する必要があります。直接金属レーザー焼結機の価格、作業スペースの設置費用などを考慮する必要があり、さらに特定の材料や部品設計に合わせて機械を校正するための費用も必要です。
材料費: 直接金属レーザー焼結機を購入したら、金属粉末のコストも考慮する必要があります。もちろん、これは選択した材料によって異なります。
総コストに影響を与える要因
一般的な直接レーザー金属焼結のコストについては、いくつかの重要な要素を考慮する必要があります。
部品のサイズと複雑さ: ほとんどの場合、より大きく複雑な部品を印刷するには、より多くの費用がかかります。したがって、部品のサイズが重要な役割を果たします。
生産量: 前述のように、DMLS は少量および中量の生産ではコスト効率が非常に高くなります。ただし、生産量が急増すると、部品あたりのコストも増加する可能性があります。
後処理: 希望する仕上がりで何を達成したいかに応じて、DMLS 部品の後処理を実装する必要がある可能性が高くなります。この後処理の範囲と複雑さは、全体的なコスト プロファイルを決定する上で重要な役割を果たします。
デザインの反復: 異なるデザインの反復作業を行う必要がある場合は、コスト プロファイルも調整する必要があります。そのため、価格を抑えるために迅速なプロトタイピングをお勧めします。
直接金属レーザー焼結が役立つ業界
直接金属レーザー焼結法は、その効率性から、さまざまな業界で特に人気が高まっています。現在、このプロセスは、以下の分野で使用される部品の製造に使用されています。
- 航空宇宙: DMLS を使用すると、航空宇宙産業の関係者は、翼やその他の構造部品などの複雑で軽量な部品を製造できます。複雑な製造プロセスとの互換性があり、重量を軽減できるため、このプロセスは非常に重要です。
- 自動車: 自動車メーカーもこのプロセスを利用して、迅速な試作を実現し、軽量で高性能な部品を生産することができます。
- 医療と歯科: 医療分野において、DMLSは整形外科用インプラントから手術器具まで、幅広い製品の製造に役立ちます。ただし、生体適合性のある材料を使用することが重要です。.
- 防衛と軍事: 航空機の設計であろうと海軍装備品の設計であろうと、防衛産業はこの製造プロセスの最大の適用者の 1 つとなっています。
- エネルギーと発電: コンポーネントが過酷な環境で動作する必要があるエネルギー分野では、DMLS は時計のように正確に動作します。
- 消費財: 消費財業界では、このプロセスがジュエリーやスポーツ用具などのパーソナライズされた高級製品の製造に使用されています。
- ツールと製造: DMLSは、成形から鋳造など、さまざまな製造プロセスで使用できるカスタム治具を開発する際に非常に役立ちます。.
- 研究開発: 製品開発者は、さまざまな業界で使用できるツールのプロトタイプやテスト部品を開発するために、このプロセスに大きく依存しています。
- 農業および重機: 建設機械や収穫機械の開発において、DMLS は重要な役割を果たします。
- 航空および宇宙探査: DMLS は、航空および宇宙探査業界で、宇宙船、衛星、宇宙船用の軽量で耐久性のあるコンポーネントを作成するために使用されます。
新しい材料が利用可能になるにつれて、このプロセスの全体的な用途が拡大すると予想されます。そして、KDM Fabrication は、DMLS のイノベーションをリードし続けます。
直接金属レーザー焼結と選択的レーザー溶融
関係性という点では、金属の直接選択的レーザー焼結に近いものはおそらくないでしょう。 選択的レーザー溶融ただし、ここで注意すべき違いがいくつかあります。
DMLS と SLM の最も顕著な違いはプロセスにあります。DMLS では、レーザーが金属粉末を融点よりわずかに低い温度まで加熱し、シームレスに接合します。一方、SLM では、レーザーが金属粉末を完全に溶融するように設定され、部品は完全に高密度で均質な構造になります。
また、密度や多孔度などの点でも違いがあり、DMLS 部品は通常、プロセス全体の温度低下により多孔度が高くなります。一方、SLM 部品は密度が非常に高いため、機械的強度が高く、全体的に構造が均一になります。
直接金属レーザー焼結のアプリケーションでは、両方のプロセスは異なる材料で機能し、アプリケーションも同様です。ただし、選択する際には、希望する材料構造とアプリケーションが選択の指針となるはずです。
伝統的製造方法におけるDMLS
DMLS の利点については多くのことが語られてきました。しかし、製品開発者が利用できる他の製造技術と比べて、DMLS は実際どの程度優れているのでしょうか?
減算型製造技術との比較
DMLS を減算型製造方法と比較すると、本質的には、コンポーネントと製品の製造に対するアプローチが根本的に異なる 2 つの戦略を採用していることになります。
プロセス
先に説明したように、DMLS は付加的な製造方法です。つまり、レーザーを使用して層を積み重ねるプロセスです。一方、減算的な製造方法では、固体材料のブロックから始めて、適切な形状になるまでドリルやフライス加工などのプロセスでこの材料を除去します。
材料効率
一般的に、DMLS は減算型製造よりも材料効率に優れています。部品に必要な材料のみを使用するため、無駄を削減できます。
複雑
DMLS と SLM の違いを指摘する際に、前者は複雑な形状を持つ複雑な製品に特に適していることを説明しました。一方、減算型製造では、この点で少し制限があります。
デザインの自由
DMLS は付加的な性質を持つため、製品メーカーに創造の自由度を高めます。ただし、減算型製造では部品へのアクセスが制限され、材料をブロックごとに切断する必要があります。
後処理
後処理は必要ですが、DMLS で製造された部品は仕上げが少なくて済む傾向があります。減算型製造ではほぼ完成状態の部品が製造されますが、後処理のステップが多く必要になります。
DMLS と射出成形および鋳造
ここでは、それぞれ独自の特徴と利点を持つ 3 つの異なる製造プロセスがあります。
プロセス
DMLS は、部品を層ごとに作成する付加的なプロセスです。射出成形では、溶融材料を金型のキャビティに注入し、冷却して適切な形状を形成する減算的な方法が採用されています。
次に鋳造という方法があります。これもまた除去的なプロセスで、溶融した材料を空洞に流し込み、固まるまで待ってから型を取り出します。.
複雑
DMLS は複雑な部品に適していますが、鋳造と射出成形はどちらも、シンプルで比較的一貫性のある部品を作るのに適しています。
デザインの自由
創造の自由は、DMLS が得意とする分野です。その一方で、パターンと金型の制限に対応するために、鋳造と射出成形の設計にいくつかの変更を加える必要がある場合があります。
材料の選択
DMLS では、主に金属粉末を使用します。ただし、射出成形と鋳造では、熱硬化性プラスチックを使用することが多いです。鋳造はセラミックや金属とも互換性があるため、材料の使用に関して柔軟性が少し高いことに留意してください。
ツールとセットアップ
一般的に、DMLSは特に少量生産の場合、大規模な金型製作を必要としません。一方、鋳造や射出成形では、専用のパターンや金型を作成する必要があり、コストが増加する可能性があります。.
表面仕上げ
DMLS部品は、鋳造や射出成形で作られた部品に比べて表面が粗いことが一般的です。そのため、 望ましい表面品質を得るための後処理。
DMLSにおける品質管理と課題
品質管理により、DMLS プロセスで作成された部品が適切な仕様を満たし、最適な品質を維持できることが保証されます。そのために、全体的な DMLS 戦略の一環として実装する必要がある重要な手順をいくつか紹介します。
- 機械の校正: マシンの再現性と精度を保つために、定期的にキャリブレーションを行うことが重要です。必要なすべてのパラメータを調整し、テストを実行して効率性を確保してください。
- 材料検査: また、プロセスで使用される金属粉末を検査して、その品質と適合性を確認する必要もあります。
- ビルドパラメータの検証: すべてのパーツのビルド パラメータをチェックして、設計要件に適合していることを確認します。スキャン速度からレイヤーの厚さまで、すべてをチェックします。
- プロセス監視: 印刷プロセスが行われている間、欠陥や不規則性の発生を減らすために、すべてのコンポーネントを監視する必要があります。
- 非破壊検査（NDT）： CT スキャン、X 線観察などにより、内部構造が正確で欠陥がないことを確認します。
- 微細構造分析: 顕微鏡技術を使用して部品の微細構造を確認し、最適な粒子構造を確保することができます。
- トレーサビリティとドキュメント: 将来の参照用に、DMLS ビルドと実行された後処理手順の記録を保持してください。
- 品質トレーニングと認定: 最後に、プロセスに関わる全員が品質管理の基準と手順について適切なトレーニングを受けていることを確認します。
結論
機械部品の製造はここ数年で大幅に成長し、この分野における技術革新により、直接金属レーザー焼結などの画期的なプロセスが生まれました。
KDM Fabricationsは、このプロセスに精通しており、お客様が必要とするほぼすべての部品を製作できます。ぜひ今すぐお問い合わせください。お客様のご希望の製作物を実現するお手伝いをいたします！