選択的レーザー焼結（SLS）：3D CAD設計を固体パーツに変換する仕組み

積層造形におけるSLSは、3D CAD設計を数時間で物理的なパーツに変換するために使用されます。

選択的レーザー焼結の定義とは？SLSはSelective Laser Sinteringの略で、3Dプリントまたは積層造形（AM）技術の一つです。SLSは「焼結」と呼ばれるプロセスを使用します。粉末材料を溶点近くの温度まで加熱し、粒子を結合させて固体を形成します。

SLSはナイロンが最も一般的ですが、プラスチックや金属など、幅広い材料を使用できます。

以前「不可能」だった部品を製造できる能力と、材料の高い回収率により、SLSは1990年代初頭の商業化以来、産業現場で人気があります。

SLSは、米国防総省の国防高等研究計画局（DARPA）の後援のもと、1980年代にCarl DeckardとJoe Beamanによって最初に開発されました。

SLS技術は決して新しいものではありませんが、依然として主に産業用途で使用されています。SLSプロセスで使用される精密レーザーにより、複雑な部品であっても高精度な製造が可能です。このため、SLSは迅速なプロトタイピングと少量カスタム部品の生産に広く使用されています。

一方で、強力なレーザーと粉末材料の使用により、ほとんどの小規模または家庭用には非現実的です。特にSLSプリンタは、FDM（溶融積層造法）3Dプリンタなどの他の人気技術よりも大幅に高価です。

最近、粉末床溶融結合技術の発展により、SLSへの関心が再燃していますが、現在はFDMとステレオリソグラフィー（SLA）に次いで人気があります。

選択的レーザー焼結（SLS）：SLSモデルの前処理

すべての積層造形（AM）技術には制限があり、SLS（選択的レーザー焼結）も例外ではありません。特に、SLSは鋭いエッジや薄壁のプリントには適しておらず、これらの特徴を取り入れた設計は前処理で変更する必要があります。例えば：

• 薄壁を持つパーツは、薄壁解析機能を含む設計製品を使用して解析できます。この機能はプリントプロセスをシミュレートし、設計者が設計が正常にプリントされる可能性があるかどうかを確認するのに役立ちます。そうでない場合、プリント前に適切な変更を行えます。
• 鋭いエッジを持つパーツの場合、設計者はCADソフトウェアの「フィレット」機能を使用して、プリント成功に向けてそれらのエッジを丸めることができます。

いくつかの追加のポイント：

• プロジェクトが過度に複雑なジオメトリを組み込む場合、設計者はSLSのデータ準備中にジオメトリ簡略化ツールを使用して、設計がプリント準備完了であることを確認できます。
• 同様に、多くのSLSパーツは重量削減のために中空でプリントされ、設計者は自動化ツールを使用して設計を「中空化」し、プリント後に未焼結材料を除去できる逃げ穴を含めることができます。
• フル機能の設計ソフトウェアを使用している場合、設計者はシミュレーションモデリング技術を使用して、設計がプリントプロセス中および実用時にどうなるかを確認すべきです。

最後に、3Dモデルがプリント準備完了になる前に、2D層（断面としても知られる）に「スライス」する必要があります。SLSプリンタはこれを使用して、粉末材料の各層をレーザーでガイドします。無料の「スライサー」もSLSのデータ準備のために利用できますが、信頼性に疑問があり、プロの設計者は前処理ニーズには認知されたソフトウェアパッケージを使用することをお勧めします。

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積層造形におけるSLSのプロセス

選択的レーザー焼結プロセスは、他の粉末床溶融結合技術と以下の点で類似しています：

1. 設計者がコンピュータ支援設計（CAD）プログラムを使用して3Dモデルを作成
2. 設計を薄い（2D）層に分割
3. 分割された設計をSLSプリンタに送信
4. レベリングローラーがプリンタのビルドプラットフォーム全体に薄い層の粉末材料を広げる
5. CO₂レーザーが材料上に断面をトレースし、加熱・融合
6. ひと層が完了すると、ビルドプラットフォームが降下し、次の粉末層のスペースを確保
7. 未使用材料は各層完了後にリサイクル
8. パーツが完成するまでSLSプロセスを繰り返し、層ごとに構築

プリントプロセス中、SLSパーツは未焼結粉末に囲まれます。この余分な粉末がプリント中にパーツを支えるため、サポート構造が不要です。

選択的レーザー焼結：後処理

SLS後処理の最初のステップはパーツ回収です。新しくSLSプリントされたパーツは、部分的に焼結した粉末の多孔質な繭に包まれており、これを割ってパーツを取り出す必要があります。このプロセスは家庭環境では汚れますが、SLSは主に産業現場で使用され、圧縮空気の入口を備えた気密エンクロージャを組み込んだ特別に設計された洗浄チャンバーが使用されます。

洗浄後、SLSプリントパーツは検査・テストされ、元の仕様を満たしているか確認されます。SLSパーツは収縮と反りが発生しやしいため、このプロセスで各パーツが目的に適していることを確認する必要があります。

最後に、ほとんどのSLSパーツは実用に向けて染色および/またはコーティングされます。染料とコーティングは、純粋に化粧目的のものから高機能なものまで幅広く、以下が含まれます：

• 耐傷性
• 反射/非反射
• 偏光
• 耐久性

SLS材料回収

残余材料の回収は、SLS製造プロセスの不可欠な部分です。

粉末材料がプリント中にSLSパーツを支えるため、実際のパーツに必要な量よりもはるかに多くの粉末が使用されます。しかし、ビルドチャンバー内のすべての粉末は焼結プロセスを助けるために予熱されるため、「使用済み」粉末は未使用粉末よりも将来のSLSプリントには効果が劣ります。このため、SLSプリントの専門家は、SLSプリントプロジェクトには最大50%のリサイクル粉末を使用することを推奨しています。

SLSシステムの種類

根本的に、SLSシステムには産業用とデスクトップの2種類があります。

産業用SLSシステム

産業用SLSシステムは数十年前から存在し、航空宇宙、自動車、工具など幅広い業界の主要企業で使用されてきました。産業用SLSシステムは1つ以上の高出力CO₂レーザーを使用します。

サイズと熱要件のため、産業用SLSシステムは粉末の酸化を防ぐために不活性環境を必要とします。その結果、これらのシステムは空気の吸気と排気を管理する専用装置も必要とします。また、産業用電源も必要です。

デスクトップSLSシステム

デスクトップSLSシステムは産業用システムと類似のプロセスを使用しますが、小規模ビジネスやホビースト環境に簡単に収まるマシンにパッケージ化されています。これらのシステムはCO₂レーザーではなく、低出力のダイオードまたはファイバーレーザーを使用します。これがコスト削減の一因です。

サイズが小さいため、デスクトップシステムは焼結プロセスに必要な熱も少なく、専用の空気管理システムが不要で、標準的なAC電源で動作できます。

SLS材料

SLSという用語は通常、プラスチックベースの焼結を指しますが、プラスチック、金属、ガラス、セラミック、複合材料を含む材料の焼結を包括的に指す用語としても使用されます。プロセスはすべての材料で類似していますが、焼結プロセスに必要な温度は異なります。

SLSが金属に適用される場合、通常は直接金属レーザー焼結（DMLS）という用語が使用されます。プロセスはこの記事で前述した通りまったく同じですが、焼結プロセスにはプラスチックベースの焼結よりも大幅に多くの熱が必要です。

SLSのメリットとデメリット

あらゆる製造プロセスと同様に、SLSにはメリットとデメリットの両方があります。

SLSのメリット：

• 自己支持性。 SLSパーツが構築される際、中空部分は未焼結粉末で満たされます。その結果、SLSプリントは自己支持性であり、追加のサポート構造を必要としません。
• 設計の自由度。 サポート構造が不要なため、設計者は製造実現性を心配せずに目標を果たすパーツを作成する上で、はるかに多くの自由があります。その結果、従来の減法製造技術の制約により「不可能」とされていた多くの部品が、SLS積層造形で作成できるようになりました。
• 速度。 SLSで使用されるナイロン粉末は非常に短いレーザー露光で焼結されるため、SLSプリントは最速の3Dプリント技術の一つです。FDMなどの他の技術とは異なり、SLSではプリント速度と高品質の確保の間に実質的なトレードオフがありません。
• 染色が容易。 SLSプリントは天然に多孔質で、水分やその他の液体を容易に吸収します。この多孔質な性質により、特にホットバスプロセスを使用する場合、SLSパーツは着色に最適です。

SLSのデメリット：

• 多孔質で脆い。 SLSパーツの多孔質な性質は構造的完全性を損なう可能性があります。通常優れた引張強度を持ちますが、SLSパーツは非柔軟で、比較的低い変形レベルでも破損する可能性があります。このため、SLSプリントは概念実証プロトタイプとしてよく使用されます。SLS製造部品は粗い表面仕上げになることもあります。
• 収縮と反りの傾向。 SLSで使用されるナイロン粉末は焼結中に高温にさらされ、その後急速に冷却されます。パーツが冷却されると収縮もし、プリント部品の不正確さにつながる可能性があります。最もよく見られるのは鋭いエッジとコーナーです。
• 廃棄物。 SLSプリントからの粉末は再利用できますが、前述の通りほとんどのSLS専門家は将来のプリントには最大50%のリサイクル粉末を推奨しています。その結果、SLSプリントプロセスには常に廃棄物の要素があります。
• コスト。 デスクトップSLSプリンタでも5,000〜40,000ドルかかり、他のAM技術を使用する同等のプリンタよりはるかに高価です。想像の通り、産業用SLSプリンタは非常に高価になります。

SLSを使用すべきケース

SLSの最も一般的な用途は迅速なプロトタイピングで、その速度と自己支持性が理想的です。SLSにより、設計者は構造サポートを含めたり、射出成形などのより伝統的な製造技術を使用したりする制約なしに、幅広いプロトタイプを作成およびテストしやすくなります。

どの業界がSLSに依存しているか？

もたらす利点により、SLSは航空宇宙、自動車、医療業界で多用されてきました。

航空宇宙と自動車メーカーが主に金属と複合粉末を使用して高い耐久性を達成するのに対し、医療メーカーは通常、熱可塑性ポリウレタン（TPU）を好みます。これは優れた機械的特性、耐久性、耐油性と耐化学性を持つ柔軟で高耐久性のプラスチックです。

SLSは、少なくとも設備投資の観点では価格が主要な考慮事項ではない状況で通常使用されます。SLSシステムは非常に高価になり得るため、これがプロセスが主に産業現場で使用される主な理由です。

しかし、資本支出を別とすれば、大量の少量生産部品（プロトタイプなど）を製造するメーカーは、実際にはSLSでコストを節約できます。SLSは、工具の多大な費用なしでこれらを製造しやすくするため、少量生産とオーダーメイド部品の製造に広く使用されています。

一般的な用途には：

• カスタムツールと治具
• 燃料タンク
• エアダクト
• 建築模型
• 無人航空機用フライト定格コンポーネント
• 自動車設計
• 芸術彫刻

SLSの今後

現時点では、SLSは主に産業用途に限定されています。主にSLS 3Dプリンタの高コスト、強力なレーザーと粉末材料の使用も理由です。現時点では、ホビーユーザーやホームクリエイターには、FDMやSLAなどの他の技術がより手頃な選択肢です。しかし産業現場では、SLSシステムは非常に価値があります。

すべてのAM技術と同様に、SLSもメーカーが高精度で最適化された3Dモデルを生成する能力に依存します。そして、SLSの制限（特に薄壁や鋭いエッジを持つパーツをプリントできないこと）を考慮すると、それらのモデルを作成および最適化するための特定のソフトウェア機能が不可欠です。

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