超高速レーザー加工技術の積層造形への応用

出典: 高エネルギービーム加工技術と応用

超高速レーザーは、実績があり進化を続ける製造ツールです。同時に、積層造形（AM）は、任意の形状の物体の 3D 製造における重要な分野となっています。付加製造（AM）への関心が高まっていることは、防衛、医療、航空宇宙、自動車、電子機器など、さまざまな業界の幅広い製品の製造にAMが広く使用されていることからも明らかです。現在、レーザーベースの積層造形のほとんどは、連続波 (CW) レーザーと長パルスレーザーを使用して実行されています。連続レーザーと長パルスレーザーの欠点は、レーザーによって与えられた熱エネルギーが照射点の周囲に広がり、熱影響部 (HAZ) が形成されることが多いことです。熱影響部では微小亀裂、多孔性、残留応力が発生し、材料の強度が低下する可能性があります。これらの問題に対処するために、現在、付加製造プロセスにおいて、パルス持続時間が約 (1fs = 10-15s) のフェムト秒 (fs) レーザーなどの超高速レーザー源を使用する試みが進行中です。これにより、レーザーと材料の破壊的な相互作用が制限され、熱影響部の可能性が最小限に抑えられます。超高速レーザーを積層造形に使用することで、加工が難しい材料、透明材料、マイクロおよびナノ製造のための次世代製造技術の可能性が広がります。

選択的レーザー溶融/焼結<br /> 連続モードまたはナノ秒パルスレーザーに基づく付加製造は、小さな焦点領域で材料に直接エネルギーを供給し、より高い解像度で凝固、焼結、または溶融を実現できます。これらの方法の代表的な例としては、選択的レーザー溶融法 (SLM) と選択的レーザー焼結法 (図 1) があります。一般的に使用される金属は、ステンレス鋼、工具鋼、アルミニウム合金、チタンとその合金、ニッケル合金、および一部のコバルト合金です。最適な部品の向き、レーザーパラメータの最適化と一貫性、高い残留応力と表面品質は、粉末床溶融結合プロセスにおける課題のほんの一部です。この技術は、融点、レーザー吸収スペクトル、熱伝導挙動が異なる多種多様な金属を扱うという課題によってさらに複雑になっています。超高速レーザーは、加工が難しい材料の選択的なレーザー溶融/焼結の解決策となる可能性があります。超短パルスは、非常に短い時間スケールで強力なピークエネルギーを供給するため、ターゲット材料は急速に融点を超えて加熱されますが、熱影響領域は小さくなります。融点の高い材料や熱伝導性に優れた材料は、この限定された極端な加熱によってより簡単に処理できる可能性があります。相互作用時間が短いため、残留熱はすぐにバルク内に拡散しますが、パルス繰り返し周波数を MHz 範囲に上げると、結果として生じる熱の蓄積によって溶融プロセスをさらに制御できるようになります。熱影響部は焦点スポットの直径よりそれほど大きくないため、粉末粒子のサイズは焦点スポットのサイズより大きくならないように制限されます。一般に、超高速レーザー照射下での金属の溶融速度はまだ完全には理解されていないことに留意する必要があります。超高速レーザー粉末床溶融の熱力学とそれが材料特性に与える影響ははるかに小さくなります。したがって、現在の最先端技術では、研究は主に実現可能性調査に限定されています。
図 1. SLM/SLS セットアップの例。均一な粉末層が構築プラットフォーム上に堆積され、レーザースキャンによって選択的に溶融され、その後、粉末層が堆積される図2。完成品と微細形態を得るためのさまざまな材料の超高速レーザー選択的レーザー溶融
3Dレーザーリソグラフィー（3DLL）
ステレオリソグラフィーは、光が光化学的な構造変化を引き起こしてパターンやオブジェクトを印刷する製造プロセスであり、コンピューターで描かれたデザインから任意の 3D オブジェクトを層ごとに生成できます。従来、フォトポリマーは UV レーザー硬化によって液体から固体ポリマーに変換されます。光開始剤は励起されてイオンまたはフリーラジカル種が生成される状態になり、媒体内で架橋連鎖反応を開始します。励起と光重合は、通常単一の UV 光子によって吸収されるエネルギーに相当する、より低いエネルギーの光子の多光子吸収によって達成できます。レーザー強度への非線形依存性と単一光子吸収に対する材料の透明性により、超高速レーザーの狭い焦点領域で多光子吸収が発生し、より高い解像度と内部変更を実現できます。多光子リソグラフィー（3D レーザーリソグラフィー (3DLL) または多光子直接レーザー書き込み (MP-DLW) とも呼ばれます）。化学センシング、マイクロ流体デバイス、マイクロニードルなどに応用されていますが、近年ではマイクロナノ光学や生物工学、組織工学が広く注目を集めています。

図3. ステレオリソグラフィー、光誘起光化学構造変化、印刷パターンおよびオブジェクト: (1) フェムト秒直接レーザーリソグラフィーによって製造されたさまざまな形状の足場および生体材料。 (2) リソグラフィーシステムによって構築されたコンパクトな3眼レンズ対物レンズ。 (3) 2光子リソグラフィーによって生成された91.8重量% Ni構造
（１）組織工学：再生医療は、細胞マトリックスと足場上での細胞増殖に依存しているため、カスタマイズされた生体適合性3D微細構造から大きな恩恵を受けることができる分野です。生物組織は複雑な複合材料であり、細胞外マトリックス (ECM) が細胞を支持する構造を提供します。フェムト秒直接レーザーリソグラフィーによって製造されたさまざまな形状のスキャフォールドと生体材料は、最適な適合性と生体内での結果を達成するために研究されています。複数のリソグラフィを直接書き込むことによって、設計者のブラケットにさらなる複雑さが導入される可能性があります。この組み合わせたアプローチにより、細胞結合ドメインの空間制御が改善され、細胞分布が改善される可能性があります。複数のリソグラフィー技術を使用することで、一次スキャフォールドの形状と機械的特性を制御できるだけでなく、部位固有の機能も作成でき、さまざまなレベルの細胞適合性を持つカスタマイズされた分布を作成できる可能性があります。

（２）マイクロナノ光学：多光子リソグラフィーは、ミクロンおよびナノメートルスケールの光学システムを実現するための効果的なツールである。この付加製造プロセスの幾何学的自由度と高精度により、優れた光学特性を持つフォトレジストから屈折要素と回折要素を微細加工することが可能になります。これらのデバイスは、集積光学、フォトニック回路、ファイバーベースの内視鏡検査や断層撮影に大きな影響を及ぼします。

（３）金属堆積：マイクロエレクトロニクス、メタマテリアル、プラズモニックデバイスへの関心が高まるにつれ、形状を自由に制御できるマイクロスケールの金属製造方法への要望が高まっています。解像度に関する既存の付加製造技術の限界により、金属粒子インク押し出し、電気流体力学的印刷または液滴噴射、レーザー支援電気泳動堆積、LIFT などの技術によって現在そのギャップが埋められています。多光子直接レーザー書き込みに基づく、またはそれを使用する代替技術は、重合分野で見られるものよりも魅力的な利点を提供するため、研究されています。あるいは、多光子光還元によって金属を溶解し、3D プリント構造の核生成と成長を行うことで、金属の直接堆積を実現できます。

ハイブリッド製造アプリケーション<br /> レーザーはユニークな製造ツールです。レーザーパラメータは、局所的なエネルギー入力を容易に制御し、溶融やアブレーションなど、対象材料に望ましい物理的変化を引き起こすことができます。溶融と再凝固により積層造形が可能になりますが、蒸発とアブレーションにより主に減法造形が可能になります。したがって、広範囲にわたる調整可能性（波長、パルス持続時間、繰り返し率）を備えた最新の超高速レーザーは、付加的製造モードと減算的製造モードの間で切り替えることができます。資本コストが低いハイブリッドのオールインワン製造装置の見通しは魅力的であり、複数のレーザー技術の使用が実証されています。マイクロ流体デバイスの製造は、このハイブリッド化の恩恵を受けることができます。この図は、この減算型超短パルスレーザーマイクロマシニング法を多光子重合と組み合わせて、統合ポリマーマイクロ構造を備えたカスタマイズ可能なマイクロ流体デバイスを作成する方法を示しています (図 4)。
図 4. フェムト秒レーザー誘起化学エッチングによるマイクロ流体デバイスの超高速サブトラクティブ製造図 5. フェムト秒レーザーアブレーションによるマイクロ流体デバイスのハイブリッドサブトラクティブ-アディティブ製造 (1) マルチフォトンリソグラフィーは、さまざまな形状のマイクロフィルターをアブレーションされたマイクロチャネルに直接統合し、フェムト秒レーザーを使用してカバーガラス側を彫刻されたチャネルの上に溶接してシールを形成します (2) マルチフォトンリソグラフィーは構造を製造します (3) 従来の金属アディティブ製造処理用の単一の超高速レーザーマイクロマシニングデバイス
結論と展望<br /> 超高速レーザーが他のツールや方法に比べて明らかに優れた利点を持ち、将来性がある、あるいは将来性のあるいくつかの付加製造技術とアプリケーションについて説明します。選択的レーザー溶融/焼結プロセスにおける高融点、低光吸収材料の処理性能が実証されました。とりわけ、超高速レーザーはマイクロおよびナノ加工において大きな存在感を持っています。非線形吸収現象によって実現される精度とスループットの向上は、ナノスケールからミッドスケールまでの超高速レーザーの将来の実用化の基礎を築きます。サブミクロン解像度のマルチフォトンリソグラフィーは、複雑な 3D ナノ構造をオンデマンドで自由に製造できますが、フォトレジストソリューションに統合できる材料に制限されます。特に金属やセラミックは進歩はしているものの、製造が難しいです。一方、レーザー誘起前方転写には材料の制限はほとんどありませんが、多光子リソグラフィーと同程度の解像度と幾何学的自由度を実現するにはさらなる研究が必要です。材料だけでなく、材料の相（固体、液体、高粘度または低粘度のスラリー）の多様性は、基礎となる LIFT プロセスとその最適化を理解する上で大きな課題となります。パルスレーザー蒸着は超高速レーザーを使用することで改善できますが、主に均一な薄膜の成長に限定されます。

単一の超高速レーザー光源を（1）精密な減算製造、（2）カスタマイズされた高解像度3Dプリント、（3）任意の材料の精密溶接に利用できる可能性は、非常に期待できます。最近の研究では、この次世代の統合製造システムの現実にすでに近づいていることが示されています。

超高速レーザー加工技術の積層造形への応用

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