ダイレクトメタルレーザー焼結（DMLS）は、研究室から米国中の工場に進出しました。航空宇宙用ブラケット、医療用インプラント、または複雑な工具を製造する企業は現在、DMLS をプロトタイプと最終使用部品の両方における実用的な選択肢と見なしています。しかし、DMLS は常に最良の選択なのでしょうか？この記事では 直接金属レーザー焼結の利点と欠点 DMLSを製造ツールボックスに加えるかどうかを決定するのに役立ちます。

ダイレクトメタル・レーザー焼結とは？

DMLS は、高出力レーザーで金属粉末を層ごとに溶融する積層造形プロセスである。その結果、ネットシェイプに近い部品が出来上がり、多くの場合、軽い仕上げが必要になるだけである。

DMLSの仕組み

1. ステンレス鋼、チタン、インコネル、アルミニウムなどの金属粉末の薄い層が、ビルドプレートに敷き詰められる。
   
2. レーザーが部品の断面をなぞり、粉末を溶融または焼結して固体にする。
   
3. ビルドプレートが下がり、新しいパウダー層が塗布され、パーツが完成するまでこのサイクルが繰り返される。
   

DMLSで加工される代表的な合金

• Ti-6Al-4V 航空宇宙および整形外科インプラント用
  
• インコネル718 高温タービンハードウェア用
  
• 316Lステンレス鋼 耐食工具用
  

DMLS部品は、溶製材の引張強度に匹敵するか、それを上回ることができます。たとえば、溶体化エージングを施したDMLSインコネル718は、溶製材の同等品よりも高い硬度を示します。

ダイレクトメタルレーザー焼結の利点と欠点

DMLSの利点

• デザインの自由度 - 機械加工では不可能な内部冷却チャンネル、格子状コア、トポロジーに最適化された形状が日常的なものになる。
  
• 高い機械的強度 - レーザー焼結されたチタンとニッケル合金は、鋳造または鍛造材料に匹敵するか、それ以上の強度を提供します。
  
• 材料効率 - 製造中に溶融されなかったパウダーは再生・再利用され、廃棄物が削減される。
  
• 迅速な反復 - エンジニアはCADモデルから機能的な金属部品に数日で移行でき、開発サイクルを短縮できる。
  
• 軽量化 - 航空宇宙とモータースポーツのチームは、最適化されたDMLSブラケットを使用して、質量を最大40 %削減しました。
  
• パート統合 - 4～10個の機械加工部品のアセンブリを1枚の印刷物にすることができ、在庫、検査工程、潜在的なリーク経路を削減することができる。
  
• 追跡可能なデジタル・ワークフロー - 各ビルドファイルには、マシンパラメータ、パウダーバッチID、品質ログが含まれ、医療や航空宇宙産業の監査に不可欠な厳密なバリデーションをサポートします。

DMLSの欠点

• 規模が大きくなると部品単価が高くなる - 年間生産量が数千個を超える場合は、従来の鋳造や機械加工の方が安価な場合が多い。
  
• 表面粗さ - 出荷時のRa値（8～15μm）は、通常、シール面のビードブラストまたは機械加工が必要です。
  
• 建設量の制限 - 工業用DMLSマシンの最大サイズは400×400×400mm程度で、それ以上のパーツは分割と溶接が必要。
  
• サポート解除 - オーバーハングは、ワイヤーカットや機械加工が必要な支持構造を必要とする。
  
• パウダーハンドリングの安全性 - 吸入や火災のリスクがあるため、作業員には不活性ガス用グローブボックスや防爆仕様の真空装置が必要だ。
  
• 異方性 - 後処理（HIPや熱処理）をしないと、Z軸強度がXY軸強度に遅れることがある。

DMLSと他の金属積層造形技術の比較

DMLSと選択的レーザー溶融（SLM）の比較

どちらもレーザーと金属粉末を使用するが、SLMは粉末を完全に溶融するのに対し、DMLSはわずかに冷却して微細構造を維持することができる。ほとんどの合金では、実用的な影響は最小限であり、多くの場合、機械ベンダーと部品の認定履歴によって選択されます。

DMLSとバインダージェッティングの比較

バインダージェッティングは、ポリマーバインダを使用して「グリーン」な金属部品を印刷し、その後焼結する。大量ロットではより高速ですが、気孔率が高くなり、1～2TP3Tの収縮が残ります。DMLSは、速度は遅いものの、造形後すぐにほぼ完全な高密度の部品が得られます。

DMLSと電子ビーム溶解の比較

電子ビーム溶解は真空と電子ビームを使用し、超清浄でなければならないチタン部品に理想的です。EBM造形は、厚い層でより高速ですが、粗い表面と低い寸法精度を提供します。不活性ガス中で稼働するDMLSは、より微細で、より厳しい公差を提供し、複雑な工業部品の後処理が容易です。

DMLSと従来のCNC機械加工の比較

DMLSは貴社のプロジェクトに適していますか？

以下のチェックリストでフィット感を測ってください：

• 加工のしきい値を超える複雑な形状？
• 年間販売量が2,000個未満？
• 軽量かつ強靭な金属構造物が必要ですか？
• 公差ゾーンは主に±0.1mmか、それとも現地で仕上げられるか？
• パウダーベッドマシンの資格認定に使える予算は？
  

少なくとも3回「はい」と答えたなら、DMLSは真剣に検討する価値がある。そうでなければ、ハイブリッド・ルート（機械加工＋鋳造）の方が費用対効果が高いかもしれません。

DMLS の価値を最大化するための専門家のヒント

1. 加法設計 - パーツの向きを整え、自立アングル（45°以上）を追加することで、不要なサポートをなくす。
   
2. 厚い部分をくり抜く - ソリッドマスをラティスコアに置き換えれば、パウダーを節約し、製造時間を短縮できる。
   
3. 加工ストックの計画 - 印刷後の仕上げのため、重要な面には0.25 mmの余裕を持たせる。
   
4. まず小規模ビルドで検証する - 密度と引張特性を追跡するために、部品と一緒にクーポンバーを印刷します。
   
5. 資格のある事務局と提携する - 社内に機械がない場合は、ISO9001またはAS9100の認証を受けた米国のサプライヤーを起用する。
   

結論

比類のない設計の自由度、迅速な反復、優れた機械的強度はすべて、金属直接レーザー焼結によってもたらされる。しかし、より高価な装置、表面仕上げの問題、厳格な粉末取り扱い規制があります。ダイレクトメタルレーザー焼結のこれらの利点と欠点を、部品の形状、体積、および品質要件と比較検討することで、DMLS またはハイブリッドアプローチが最良の価値を提供するかどうかを決定することができます。

エリートモールドは、フィージビリティスタディ、コスト比較、パイロットビルドであなたの次のアイデアを実現するためのお手伝いをする準備が整いました。

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よくある質問

Q: DMLS部品の精度はどのくらいですか？

標準公差は±0.1mmだが、重要な形状は印刷後に±0.01mmまでリーム加工またはフライス加工が可能。

Q: DMLSパウダーはリサイクル可能ですか？

はい。最大95 %の未溶融粉がふるい分けされ、再利用される。しかし、ほとんどの品質システムでは、酸素ピックアップを制御するためにリサイクルループの数に上限が設けられている。

Q：どのような後処理が必須ですか？

熱処理による残留応力の緩和、サポート除去、オプションのHIPによる内部ポロシティ除去。

Q: DMLSはフライト用ハードウェアとして認証されていますか？

NASA、SpaceX、およびいくつかのTier-1サプライヤーは、厳格な非破壊評価の後、DMLSチタンおよびインコネル部品の飛行を許可しました。