剣は表面焼結型青色レーザー金属3Dプリンターを指す！ NUBURU、米空軍にレーザーを納入

この投稿は warrior bear によって 2023-5-20 21:46 に最後に編集されました。

2023年5月18日、アンタークティックベアは、高出力・高輝度産業用青色レーザー技術のリーディングイノベーターであるNUBURUが、2023年第1四半期に世界初の青色レーザー駆動型地域焼結3Dプリントレーザーを米空軍に納入するという技術サービス契約を締結したと発表したことを知りました。

2015年に設立されたNUBURU（公式ウェブサイト：www.nuburu.net）は、銅、金、アルミニウム、その他の重要な工業用金属のレーザー溶接や積層造形において、基礎物理学と高輝度、高出力の設計を活用し、より高速かつ高品質で部品を溶接・成形する産業用青色レーザーの開発・製造会社です。 NUBURU の産業用青色レーザーは、レーザー加工法の本来の柔軟性を備えながら、従来の方法よりも 8 倍速く、欠陥のない小さな溶接を実現します。
NUBURUは米軍と2段階の技術サービス契約を締結した。契約では、青色レーザーの吸収利点を活用し、テキサス・インスツルメンツの地域焼結金属3D印刷技術（デジタル光プロジェクターを通じて粉末床に画像を投影して金属を形成する技術）と組み合わせることで、金属部品の3D印刷速度を大幅に向上させる。 NUBURU は、金属 3D プリンターに統合するためのレーザーをパートナーに提供します。青色レーザーは、一般的な金属 3D プリンターのスポットサイズの 30,000 倍の大きさの画像を使用するため、解像度を犠牲にすることなく印刷速度が大幅に向上します。この3Dプリンターはさらにアップグレードすることができ、高密度材料の印刷速度を100倍以上に高めると同時に、二酸化炭素排出量を大幅に削減することができます。 NUBURUの研究データによると、ステンレス鋼部品を3Dプリントする場合、青色レーザー装置を使用すると、赤外線レーザーに比べて二酸化炭素排出量を最大2.75倍削減できます。
NUBURU はこれらのテクノロジーへの投資により、190 件を超える特許を含む強力な知的財産プラットフォームを開発することができました。特許は、米国政府によって機密とみなされている特定の知的財産を含む、広範囲のレーザー技術をカバーしている。

基本的な物理的特性により、青色レーザーは独自の成形上の利点を持つ。
NUBURU は 2017 年に産業関連の初の青色レーザーをリリースしました。多くの金属は他の波長よりも青色光をはるかに多く吸収するため、青色レーザーは幅広い業界で急速に採用されてきました。青色レーザーのパワーと明るさが増すにつれて、新たな応用分野が生まれます。以前、南極熊が発表した記事では、青色レーザーが積層造形分野で強力な応用能力を示していることも言及されています。銅材料を製造するレーザー 3D 印刷への扉を開く「鍵」: 緑色レーザーと青色レーザー - 南極熊 3D 印刷ネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com)
△産業用青色レーザーの物理的利点: 銅、金、アルミニウム、その他多くの材料は、他の波長よりも青色レーザーをよく吸収します。青色レーザーの物理的特性により、NUBURU® は多くの材料処理アプリケーションに最適な選択肢となります。青色レーザーの GaN チップベースの設計により、ビーム品質を損なうことなくパフォーマンスが向上します。材料加工アプリケーション（最も典型的な例はレーザー溶接）の場合、電力密度を高めることで、浸透と溶接速度を向上させることができます。青色レーザーとさまざまな材料とのユニークな相互作用により、付加製造に新たな機能が追加されます。次の例は、青色レーザーのユニークな物理的特性がどのようにして新たな製造の可能性を実現するかを示しています。
吸収の利点 銅は経済的に重要な材料ですが、従来の赤外線産業用レーザー（通常 1 μm 程度）による加工には適していません。青の利点は基礎物理学に由来します。下の図に示すように、銅は赤外線波長で入射電力の約 5 パーセントしか吸収しません。
△青色レーザーの主な利点は、さまざまな材料への吸収率が高いことです。銅は赤外線よりも 10 倍以上、緑色光よりも 20% 以上多くの青色光を吸収します。
溶接への影響を考慮してください。溶接は、金属加工物が液相線温度以上に加熱されて「溶融池」が形成されるときに発生します。エネルギー源が除去されると、材料は固まります。物質が入射エネルギーの 5% しか吸収しない場合、光源は物質を実際に溶かすために必要なエネルギーの 20 倍を供給する必要があることを意味します。これは非効率的ですが、実際の問題は材料の処理が不十分なことです。
溶融池は母材とは大きく異なります。溶融プールが始まると、突然、大量の赤外線が吸収されるようになり、その量は「余分な」エネルギーの 20 倍にもなります。その結果、一連の激しい微小爆発が発生し、溶接部から材料が飛び散ります。飛び散った油は「気泡」を残し、最終的には接合部に隙間ができてしまうこともあります。ボイドやスパッタは部品の物理的強度や電気的特性、特に銅合金材料の物理的強度や電気的特性を低下させる可能性があり、部品の性能に大きな影響を与えます。
銅は赤外線レーザーよりも10倍以上多くの青色光を吸収します。さらに重要なのは、基板と溶融プールが青色レーザーエネルギーをより効率的に吸収することです。青色レーザーが溶融を開始するのに十分なエネルギーを供給すると、溶融プールを維持するのに十分なエネルギーが自動的に供給されます。結果として得られる接合部は、空隙や飛散がなく、迅速に生成されます。
△青色レーザー溶接は銅溶接に最適です。高い材料吸収と効率的なエネルギー伝達により、NUBURU の産業用青色レーザーは銅、アルミニウム、その他の反射性金属の溶接に最適です。
明るさの優位性 吸収電力密度は重要です。明るさが高ければ効率も高くなり、レーザーからワークピースに伝達されるエネルギーも増加します。金属を溶かすビームが直径の 2 倍に拡大する場合、4 倍の電力を運ぶ必要があります。これを表す良い指標はビームパラメータ積 (BPP) です。ここでは、ワークピースに供給される電力密度はビーム電力と BPP の関数です。吸収電力密度には、レーザー波長における材料の吸収というもう 1 つの重要な要素があります。
△GaNチップベースの設計により、対象材料にピークエネルギー密度が提供され、材料処理によって対象領域にエネルギーが伝達されます。
2 つのレーザーのうち、1 つは BPP が 30 mm-mrad、もう 1 つは BPP が 60 mm-mrad の場合、2 つ目のレーザーは最初のレーザーの 4 分の 1 の電力密度しか提供しません。また、システム全体の BPP は外部光学系によって下げることはできない、つまり上げることはできないことにも注意してください。 BPP は初期値からのみ退化します。
これにより、さらに重要な点が浮かび上がります。電力密度が高すぎると、処理品質が低下する可能性もあります。重要なのは、電力密度をアプリケーションのニーズに合わせることです。たとえば、400 μm スポットの 1 kW 青色レーザーは、ワークピースに約 800 kW/cm2 の電力を供給しますが、200 μm スポットの同じ 1 kW レーザーは約 3 kW/cm2 の電力密度を生成します。ろう付けが高すぎると、溶接品質が低下します。
高出力を実現する方法 概念的には、高出力の産業用レーザーを入手するのは非常に簡単です。多数の個別のレーザーからの出力を取得し、同じワークピースに届けるだけです。 500W レーザーを得るには、500 個の個別の 1W 光源からの小さなビームを同じポイントにルーティングする必要があります。出力を 2 倍にするには、1W レーザーの数を 2 倍にするか、個々のソースの出力を 2W に倍増します。
ただし、重要なのは、ビーム品質を最適化するように個々のソースを調整し、ビーム品質を低下させることなくそれらを組み合わせることです。 20 個のダイオードバーソースがあり、各ダイオードがバーの平面に対して垂直に放射する状況を想像してください。これらのビームが単一のレンズによって平行化される場合、ビームは必然的に異なる空間および角度のパワー分布で異なる状態に調整されます。これにより、ビームの品質を低下させることなくそれらを組み合わせることはほぼ不可能になります。
ビーム品質を最大化し、ビームレットプロファイルを一致させ、最適なパフォーマンスを実現する唯一の方法は、各ビームを個別に調整することです。たとえば、NUBURUAO-150 は、それぞれ 20 個のダイオードからなるチップベースのアレイから始まり、アクティブに調整されたマイクロ光学系を使用して個別にコリメートされます。複数のアレイからの出力は空間インターリーブと偏光フィルタリングによって結合され、ビームレットは直径 200 μm の光ファイバーに結合されます。
このプリンターアーキテクチャはスケーラブルです。たとえば、AO-500 は 4 つの AO-150 の出力を組み合わせて 500 W の出力を実現します。より高い電力を実現する方法の 1 つは、連続的な空間および偏波インターリーブを使用することですが、設計には別の並列パスが組み込まれています。 GaN ダイオード技術はまだ比較的未成熟で、効率は約 30% です。 GaN の効率は、現在の GaAs レベルの約 70% に近づくと予想されます。これにより、システムアーキテクチャを変更することなく出力電力が 2 倍になります。

高価なシングルモード緑色レーザーが市場に登場し始めています。これらはシングルモードであるため、BPP は 5 mm-mrad 程度に達しますが、これは低品質の銅溶接の閾値をはるかに上回る電力密度となります。そのため、高品質の溶接が実行できる状態に到達するには、BPP を意図的に下げる必要があります。積層造形に緑色レーザーを選択する場合、不要なレーザー特性を排除するために多大な作業が必要であり、最適な電力密度を実現するために追加のコンポーネントを統合する必要があり、システム全体の複雑さが増します。
パフォーマンス上の利点 レーザー吸収曲線と電力仕様の変動は興味深いトピックですが、重要なのは、これらの要素をどのように利用してパフォーマンスを向上させるかということです。銅溶接の例は、これらの要素がどのようにパフォーマンスを向上させることができるかを強調しています。
赤外線レーザーでは、銅を溶かすのに十分なパワーと、ボイドやスパッタを生成する閾値との間のプロセスウィンドウが非常に狭くなります。ビームを「揺らす」、つまり目的の溶接の周りで回転させることによって、有効な電力密度を下げて欠陥を最小限に抑えることはできる場合がありますが、欠陥を排除することはできず、実行可能なプロセスウィンドウさえ見つからない場合もあります。青色レーザーはこの問題を解決します。特別な露出は必要ありません。青色レーザーはより高速で、欠陥のない溶接を実現します。青色と他の可視波長の間にも大きな違いがあります。銅を例にとると、青色レーザーの成形効率は緑色レーザーよりも約 20% 高くなります。つまり、同じ BPP を持つ青色レーザーと緑色レーザーの場合、緑色レーザーには 20% の固有のハンディキャップがあり、プロセスウィンドウを狭めるだけの無駄なエネルギーになります。
△材料処理アプリケーションでは電力密度が重要です。たとえば、銅の溶接の場合、ビームパラメータ積が 2 倍に改善されると、溶け込みが増加し、溶接速度が速くなります。
アプリケーションに適合した高出力の青色レーザーにより、同等のパフォーマンス上の利点が得られます。上の図に示す 2 つの同一の 500 W 青色レーザーを考えてみましょう。1 つは 60 mm-mrad BPP を持ち、もう 1 つは 30 mm-mrad を持ちます。溶接速度 5 m/分では、60 mm-mrad システムでは 250 μm 未満の厚さしか溶接できませんが、30 mm-mrad システムでは 350 μm を超える浸透深さが得られます。同様に、同じ厚さ（たとえば 300 μm）の溶接の場合、30 mm-mrad システムは 60 mm-mrad システムの 2 倍以上の速度になります。
即時適用の利点△吸収における青色波長の物理的利点により、非常に困難な溶接プロセスを直接実行することが可能になります。純銅とステンレス鋼の突合せ溶接は、歴史的に見てほぼ解決不可能な問題でした。
青色産業用レーザーは比較的新しいものですが、銅金属の溶接におけるその性能上の利点は、バッテリー製造、モバイルデバイスの組み立て、電気自動車製造などの業界ですでに実証されています。実験室でのテストにより、青色レーザーがいくつかの難しい問題を解決できる可能性があることが示されました。銅と鋼、銅とアルミニウムなどの異種材料の溶接は、材料の熱力学的特性と機械的特性が異なるため、非常に困難です。異なる組成を持ち、機械的特性と電気的特性も同じように異なる領域である「金属間化合物」の形成を避けることは困難です。青色レーザーは本質的にプロセスウィンドウが広いため、金属間化合物の形成を最小限に抑え、溶接品質を最大限に高めることができます。
溶接だけでなく、切断、エッチング、クラッディングなどのプロセスも当然ながら青色レーザーによる材料加工に適しています。さらに興味深いのは、青色レーザーを組み込むことで付加製造（3D プリント）機能が拡張されることです。青色レーザーは、既存の材料堆積プロセスのパフォーマンスを向上させるとともに、新しい材料への扉を開きます。青色レーザーの出力と輝度が増加するにつれて、レーザー積層造形技術はより厚い材料やより高速な速度にまで拡張され、新しい用途が生まれると考えられています。
△産業用青色レーザーは、付加製造に高品質と高速性をもたらします。レーザー支援プロセスは、金属材料のクラッディングとコーティングに適したプロセスです。ここでは、効率、速度、品質が溶接と同じくらい重要であり、青色レーザーはあらゆる点で優れています。
地域金属焼結技術について 地域金属焼結印刷プロセスは、200万個のレーザーポイントを使用して部品の大規模な3D印刷を実現する革新的で破壊的な3D印刷技術です。従来のレーザー3D印刷技術よりも1,000倍高速で、単一部品の製造コストを大幅に削減します。南吉雄はこの金属「地域3Dプリント」技術について詳細に紹介しました: [新リマインダー] 200万レーザーポイントの金属「地域3Dプリント」技術、速度は1,000倍に向上、Seuratは4,100万ドルの資金調達を獲得 - 南吉雄3Dプリントネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com)
△200万個のレーザーによるSeuratの「地域印刷プロセス」は金属部品を印刷できる。金属3D印刷の新興企業Seurat Technologiesは地域3D印刷技術の代表格だ。同社が開発した新しい印刷技術は、レーザー光源の数を増やすのではなく、新しいビーム処理方法を採用し、毎回の溶融量を増やす。従来の金属積層造形システムのスポット径は 100 ミクロンです。単一レーザーシステムでは、直径 100 ミクロンのレーザーを使用してスキャンと印刷を行います。 Seurat システムは、15 平方ミリメートルの正方形の領域に 200 万個のレーザースポットを照射します。各光スポットの直径は約 10 ミクロンで、一度に 1 つの領域が印刷されることになります。
分析してみると、このテクノロジーの威力を理解しやすくなるかもしれません。

レーザー印刷の照射効率で見ると、Seuratのスポット面積は15平方ミリメートルに相当するのに対し、直径100ミクロンの従来の単一レーザーのスポット面積はわずか0.0078平方ミリメートルで、その差は1,000倍近くあります。つまり、溶融効率は単一レーザーシステムの最大1,000倍を達成できることになります。
レーザー印刷の精度と解像度に関して言えば、Seurat の精度は従来の単一レーザーの 10 倍に達します。

既存の金属積層造形法の中で最も効率的な 2 つのプロセスは、アークヒューズとバインダージェッティングです。アークヒューズは、ワイヤベースの溶接プロセスを使用して材料を堆積します。ただし、アークヒューズの印刷精度は非常に低く、印刷できる最小の特徴サイズは 5 ～ 10 mm です。バインダージェッティングはインクジェット印刷技術に基づいており、高い生産速度でグリーン部品を印刷できますが、印刷後に焼結するという 2 段階のプロセスがあるため、この技術を習得するのは困難です。現在、これら 2 つの技術的方法を使用することで、1 時間あたり 400 ～ 1,500 立方センチメートルの印刷速度を実現できます。
Seurat のゾーン印刷技術は、既存の金属 3D 印刷技術よりもはるかに生産性に優れています。アークフューズよりもさらに高速に印刷しながら、レーザーパウダーベッドフュージョンの精度と解像度を維持し、表面品質と部品の柔軟性をさらに向上させる可能性があります。
△レーザー粉末床溶融、アーク溶融、バインダージェッティング、エリア印刷技術の4つのプロセスの最小フィーチャサイズと印刷効率の比較