銅金属3Dプリント誘導加熱アプリケーションが商品化されました

2024年7月25日、Antarctic Bearは、米国の産業用誘導加熱システムメーカーであるTucker InductionがNikon SLM Solutionsと提携関係を結んだことを知りました。彼らの目標は、米国市場でSLM 280シリーズシステムを使用した高度な銅3Dプリント技術の先駆者になることです。中国の緑色軽金属3DプリントメーカーであるXihe Additiveの一部の顧客も誘導加熱を応用し、商品化に成功している。

タッカー・インダクション・システムズとニコンSLMソリューションズが銅3Dプリント技術の開発で協力
SLM 280 2.0 は、280 x 280 x 365 mm の造形容積とマルチビームレーザーテクノロジーを備えており、金属部品の中量生産やプロトタイプ生産に最適です。マルチレーザーシステムは、単一レーザーよりも最大 80% 高速に印刷できます。特許取得済みの双方向粉末塗布により、印刷プロセス中の配置機構のストロークの数が減り、構築時間が短縮されます。

ニコンSLMソリューションズの最高商務責任者チャーリー・グレースは、次のように述べています。「当社は、タッカー・インダクションが誘導業界で銅3Dプリント技術を推進するのを支援できることを嬉しく思います。このコラボレーションは、イノベーションを推進し、顧客の進化するニーズを満たす最先端のソリューションを提供するという当社の取り組みを示すものです。」

△ニコンSLM280
3Dプリントされた誘導コイルと銅部品

銅の 3D 印刷技術は米国では一般的ではありませんが、このコラボレーションを通じて、Tucker Induction は誘導コイルと銅部品を印刷できるようになりました。このコラボレーションにより、業界に新たな基準が確立され、さまざまな業界のニーズを満たす効率的で高品質な生産が可能になります。信頼性の高い銅 3D 印刷ソリューションを提供することで、市場の大きなギャップを埋めることができます。この機能により、Tucker Induction の生産効率が向上するだけでなく、複雑で高性能な設計の新たな可能性も開かれます。

タッカー・インダクションのマネージャー、ジョシュア・タッカー氏は次のように語っています。「銅を使用して誘導コイルを 3D プリントする米国で数少ない企業の 1 つになれたことを嬉しく思います。ニコン SLM ソリューションズと提携することで、誘導業界で実現可能なことの限界を押し広げることができます。」

タッカー・インダクションのオーナー、ロッキー・タッカー氏は次のように付け加えた。「ニコンSLMソリューションズとの提携により、当社は機能的な銅インダクタの革新と開発が可能になりました。同社の技術とコラボレーションへの情熱が当社の成功の鍵となっています。」

△誘導工具および付属品
タッカーインダクションについて

1976 年以来、誘導加熱業界のリーダーとして、当社はリーダーシップ、チームワーク、献身を通じて、世界クラスの品質、サービス、納品基準を提供することに尽力してきました。当社は、業界のリーダーであるだけでなく、お客様が必要とする専門的な経験と製品を提供するために、革新と新しいテクノロジーの採用に取り組んでいます。新製品の設計・製造から既存製品のメンテナンスまで、センシング分野におけるユーザーのあらゆるニーズにお応えします。

初のほぼシングルモード2000W連続緑色レーザーのリリースにより、Gongda Laserは銅材料の3Dプリントにさらなる可能性をもたらします

レーザー技術は、20 世紀半ばに誕生して以来、現代科学技術の礎の一つとなり、その開発背景は豊かで奥深いものとなっています。 1960 年、最初のレーザーの出現により、新しい時代の幕開けとなりました。マイマンはルビー結晶を使用してコヒーレント光を生成することに成功しました。この新しい光源は、前例のない単色性、コヒーレンス、方向性を備えており、科学研究と技術応用に新たな展望を開きました。 21 世紀に入り、半導体ポンプ技術、ファイバーレーザー技術、超高速レーザー技術の発展により、レーザー技術は新たな飛躍を迎えました。半導体ポンピング技術はレーザーの電気光変換効率を向上させ、製造コストを削減します。ファイバーレーザーは、高出力、高安定性、コンパクトな構造設計のため、工業用加工に適しています。超高速レーザーは、その超短パルス特性により、マイクロナノ処理やバイオメディカルの分野で大きな可能性を示しています。現在、レーザー技術は、より高出力、より高精度、より幅広い用途に向けて発展しています。

ファイバーレーザー技術の急速な発展に伴い、レーザーの出力、ビーム品質、電気光学効率が継続的に向上し、高出力グリーンレーザーの研究開発に技術的な基盤が築かれました。非線形光周波数倍増技術の開発により、赤外線ファイバーレーザーから緑色レーザーへの切り替えが可能になり、緑色レーザーの出力が向上しました。工業加工の分野では、高出力レーザー機器は航空宇宙、自動車製造、造船などの分野で切断、溶接、マーキング、測定に重要な役割を果たしており、医療応用の分野では、レーザーの精度と制御性により、眼科手術、皮膚治療、その他の医療処置に広く使用されています。レーザー技術は、工業製造から芸術創作、科学研究まで、日常生活のあらゆる側面に浸透しています。技術の進歩により、高出力レーザーの研究開発により、レーザーの産業処理能力が大幅に向上しました。

高出力短波長レーザーの応用展開と利点
高出力緑色レーザーの開発は大きな注目を集めています。連続ファイバーレーザーは、連続動作モードと導波路構造により、均一な出力レーザーエネルギー、高ゲイン、高変換効率、超高出力、優れたビーム品質、容易なシングルモード出力、安定した性能などの利点があります。

レーザーと材料の相互作用の原理は複雑かつ多様です。レーザーパラメータ（波長、出力、パルス幅など）と材料特性が異なると、相互作用効果も異なります。これらの相互作用の結果は、材料加工、医療、科学研究などのレーザー技術の応用に広く利用されています。

銅は世界で最も広く使用されている金属材料の 1 つです。図 1 に示すように、常温条件下では、銅の 1064nm レーザーの吸収率は 5% 未満ですが、532nm 緑色光の吸収率は 40% に達し、近赤外線レーザーの 8 倍になります。銅はリチウム電池、マイクロエレクトロニクスなどの業界で広く使用されています。現在、業界で最も一般的に使用されている近赤外線レーザーは1064nmです。銅は1064nmレーザーの吸収率が低いため、加工中に効率の低下、気泡、スパッタなどの問題が発生する可能性があります。緑色光レーザーは、銅などの高反射材料の切断、溶接、積層造形に使用され、近赤外線レーザーよりも明らかな利点があります。そのため、高出力、高効率の連続緑色光出力を実現することが、レーザー研究のホットスポットの 1 つとなっています。

△ 図1. 異なる波長における銅の吸収率は「高出力連続緑色レーザーの研究の進歩」より引用
図2は、いくつかの典型的な粉末材料の異なる波長のレーザーに対する吸収率曲線を示しています。異なる材料は、異なる波長のレーザーに対して異なる吸収曲線を持つことがわかります。加工中に材料に吸収されたレーザーエネルギーは熱エネルギーに変換され、材料の局所的な温度が上昇する可能性があります。この熱効果は、レーザー切断、溶接、熱処理などのプロセスにおいて重要であり、材料に溶融、蒸発、昇華などの相変化を引き起こします。

△ 図2. 代表的な粉末材料の異なる波長のレーザーに対する吸収率
緑色レーザーの重要な用途は 3D 印刷技術です。金属3Dプリントの分野では、緑色レーザーはプリント品質を向上させ、純銅材料の複雑な構造の3Dプリントを実現できます。図3は、シングルモード連続緑色ファイバーレーザーを使用した純銅プリントの分析結果を示しています。機器インテグレーターはXihe Additiveで、Gongda Laserが発売した500Wシングルモード緑色レーザーをプリント光源として使用しています。

△ 図3. シングルモード連続グリーンファイバーレーザー印刷純銅（Xihe Additive）（密度≥99.5％）
純銅の印刷における光源としてのシングルモード連続グリーンファイバーレーザーの応用は、グリーンレーザーのビーム特性を利用して、反射率の高い材料を加工する際に従来のレーザー技術が直面する課題を克服する比較的新しい技術です。純銅は近赤外光よりも緑色光をはるかに多く吸収するため、緑色レーザーは銅材料の加工に効果的です。一方、シングルモードレーザーによって生成されるビームは高品質と一貫性を備えており、特に純銅の印刷時には精密加工に不可欠であり、印刷プロセスの細かさと一貫性を保証します。

△図4. Xihe Additive XH-M160G 3Dプリントで印刷された純銅熱処理センサー
△ 図5. Xihe Additive XH-M160G 3Dプリントで印刷された純銅モーター巻線
短波長レーザーの開発では、紫外線（UV）レーザーと青色レーザーがそのユニークな応用特性により大きな注目を集めています。紫外線レーザーは波長が短いため、材料の純度と光学特性に極めて高い要件が課せられます。現在、高出力紫外線レーザーに耐えられる材料を見つけることは難しく、100ワットを超える紫外線レーザーは市場でほとんど見かけません。一部のメーカーは青色レーザーでキロワットレベルの出力を達成していますが、青色レーザーはファイバービーム結合の前に空間的に結合する必要があります。このプロセスでは、レーザービームの品質、安定性、および電力分布に厳しい要件があります。ファイバーレーザーと比較すると、青色レーザーのビーム品質は低く、特定の精密加工アプリケーションではパフォーマンスが制限されます。

一方、各国の研究者の努力により、近年、市販の緑色レーザーは大きな進歩を遂げています。ドイツのTRUMPFグループは2021年に、最大マルチモード出力3kWを提供できる高出力連続緑色光ディスクレーザーTruDisk 3022を発売しました。これは現在の緑色レーザーシリーズの中で最高出力です。銅溶接での応用上の利点を発揮しますが、価格が非常に高価です。 2022年、米国IPGは世界初のキロワット級シングルモードナノ秒パルス緑色レーザーGLPN-1000を発売しました。平均出力は最大1kWです。機械全体のサイズはコンパクトで、電気光変換効率は最大25％に達し、業界で広く注目を集めています。

Xihe 付加グリーンレーザー金属 3D プリンター
2023年9月、工達レーザーの完全子会社である深セン西和加重は、造形サイズが160×160×200mmの初の緑色レーザー金属3DプリンターXH-M160Gをリリースしました。銅、アルミニウム、金などの反射率の高い金属を印刷でき、国内の格差を打破しました。緑色軽金属3D印刷技術が徐々に普及し、応用されるにつれて、市場ではより大きな造形サイズの機器が求められています。

△ 2024上海TCT展示会南極熊が西和添加剤にインタビュー
2024年3月、Xihe Additiveは最新のグリーンレーザー金属3DプリンターXH-M350Gを発売しました。正味造形サイズは350*350*500mmです。シングル/デュアルグリーンレーザーを搭載でき、銅（Cu）、銅クロムジルコニウム（CuCrZr）、銅クロムニオブ（CuCrNb）、錫青銅（CuSn10）、銅アルミ合金、銅ニッケル合金、タングステン、タンタル、金、プラチナなどの材料の現在の市場の印刷ニーズのほとんどを満たすことができます。

△中国の緑色軽金属3DプリントメーカーであるXihe Additiveの緑色レーザー金属3DプリンターXH-M350Gの一部顧客も誘導加熱を応用し、商品化に成功しました。
ほぼシングルモードの2kW連続緑色レーザー
市場調査会社オプテックコンサルティングの最新レポートによると、世界の材料加工レーザーシステム市場規模は2023年に235億米ドルに達すると予測されており、前年比4％の増加となっています。ハイエンド製造業の発展に伴い、高出力緑色レーザーの需要は増加し続けています。

深セン工大レーザーは主に「先進的な短波長ファイバーレーザー」と「レーザー精密加工ソリューション」の研究開発、生産、販売に従事しており、中高出力短波長（緑色光と紫外線）全ファイバーレーザーの研究開発、生産、応用ソリューションに注力するレーザー会社です。ゴンダレーザーは、2022年に500Wシングルモード緑色光レーザー、2023年に1000Wシングルモードおよび3000Wマルチモード連続緑色光レーザーを発売した後、最大出力2キロワットの近シングルモード緑色光ファイバーレーザーを新たに発売し、端末関連業界の顧客によるテストと検証を終えました。

△ 図6. ほぼシングルモードの2kW連続緑色レーザー製品
主なレーザー特性とテスト結果は次のとおりです。
（１）レーザーの基本パラメータ
△表1.レーザーの基本パラメータ
（2）電力安定性：12時間連続光コピー後、機械全体の電力変動は1.5％未満です。

図7. 12時間電力安定性テスト曲線
（３）スポットエネルギー分布試験

△ 図8. スポットエネルギー分布試験図
（４）ビーム品質試験

△ 図9. 2kWでのビーム品質テスト
IV. 結論と展望
Gongda Laser の最新の準シングルモード 2 キロワット連続緑色レーザーは、世界最高の平均出力を持つ準シングルモード連続ファイバー緑色レーザーです。この製品の発売により、高反射材料の加工に十分なエネルギーが供給され、ほぼシングルモードの出力により、レーザービームの高品質と一貫性が保証され、厚い銅材料の加工において、より高い溶接品質、より高い効率、より深い浸透がもたらされると期待されます。全ファイバー基本周波数とキャビティ外周波数倍増の構造により、レーザーのコンパクトさと容易な統合を確保しながら、高い安定性と信頼性が実現します。技術の継続的な進歩と市場の継続的な成熟により、高出力ファイバーグリーンレーザーが社会にさらなる可能性をもたらすと信じる理由があります。

高出力緑色光は、銅材料の精密溶接、特に電子制御IGBTや平角線モーターの溶接において明らかな利点があり、熱衝撃が小さく、スパッタが少なく、張力が安定し、歩留まりが高いなどの利点があります。銅などの高反射金属材料の溶接における優れた物理的特性の利点に加えて、銅材料の高精度かつ高効率な 3D プリントにも大きな応用可能性があります。

今後も、Gongda Laserは、より革新的な技術の開発に努め、レーザーの出力、効率、信頼性をさらに向上させるとともに、コストを削減し、より重要な応用シナリオに適合させ、世界のハイエンド製造業の向上に貢献していきます。

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