銅材料のレーザー3Dプリントへの扉を開く鍵：緑色レーザーと青色レーザー

この投稿は warrior bear によって 2023-2-9 17:36 に最後に編集されました。

南極熊の紹介: 純銅は、その高い熱伝導性と電気伝導性により、電子機器や電力生産の分野で広く使用されている材料です。対応するアプリケーションでは、電気伝導性を高めるために、複雑な形状と高密度材料を組み合わせることがよくあります。このような用途では、積層造形 (AM) は新しい設計のニーズを満たすのに十分であると思われます。
△3Dプリントされた純銅ホーンアンテナ（バインダージェット技術で製造）、画像はDigital Metalより
より正確に言えば、レーザーパウダーベッドフュージョン (L-PBF) テクノロジが提供する高い精度と空間解像度は、非常に複雑な形状を製造し、その過程で材料の無駄を減らすのに特に適しているようです。しかし、レーザー赤外線照射下での銅粉末の反射率と熱伝導率が高いため、低多孔性純銅材料を製造する従来の L-PBF 法は、依然として現実的な技術的問題となっています。

銅粉の粉体特性 銅は熱伝導性と電気伝導性に優れ、耐腐食性と延性にも優れています。また、銅は金属系の中で供給源が広く、コストが低いため、導電性、熱伝導性材料、バイオメディカルなどの分野で広く使用されています。銅はレーザーの反射率が高く、波長が 1060 nm を超えるレーザーの反射率は 90% 以上、波長が 515 nm のレーザーの吸収率は 60% 以上です。この場合、銅のこれらの特性は、積層造形技術における銅の加工に課題をもたらします。銅は比較的高い熱伝導率を持っています。成形プロセス中、熱は溶融領域に急速に伝達され、局所的な高い熱勾配をもたらし、層のカール、層間剥離、部分的な部品の破損などのプロセス欠陥につながりやすくなります。さらに、銅の延性が高いため、成形された部品の残留粉末を除去してリサイクルすることが困難になります。また、銅粉は表面活性が高く、酸化されやすいため、特別な取り扱いや保管が必要です。
銅は熱伝導率が高く、レーザー反射率も高いなどの特性の制限により、銅粉末積層造形技術の成形プロセスを制御することが難しく、成形プロセスも比較的困難です。現在、3Dプリント銅の研究と応用は、他の一般的な金属材料に比べて遅れています。銅は典型的な構造的・機能的統合材料として、積層造形における幅広い需要があり、3D 印刷業界の研究のホットスポットとなっています。
従来のレーザー粉末床溶融成形による銅の技術的難しさ レーザー選択溶融技術の熱源はレーザービームです。銅のレーザー反射率が高いため、成形プロセス中にレーザーエネルギーの大部分が光学系に反射され、銅粉末に吸収されるエネルギーはごく一部です。レーザーβ型溶融システムが完全に溶融すると、部品に気孔や亀裂などの欠陥が発生しやすく、レーザー選択溶融銅の成形に困難をもたらします。現在、銅のレーザー選択溶融の研究分野では、部品の密度向上に重点が置かれています。
初期の研究は、レーザー装置などのハードウェア設備によって制限されていました。成形プロセス中、レーザーで銅粉末を完全に溶かすことが難しく、高密度の部品を準備することが困難でした。レーザー技術の継続的な発展により、レーザー機器の性能は継続的に向上し、高出力を使用して部品の密度を高めることができます。しかし、光学系に戻されたレーザーは光学部品を損傷します。その後、一部の研究者は、銅粉末の表面を改質したり、レーザーの波長を短くしたりすることで、銅の高反射率の問題を改善できると提案しました。初期のレーザー選択溶融装置では、低出力、安定性の低い低品質のレーザーが使用されていたため、銅粉末を完全に溶融することが困難でした。銅粉末に添加できるのは、低融点または高レーザー吸収率の合金粉末のみで、バインダーとして機能します。レーザースキャン下では、バインダーが溶融して液相を形成し、銅粉末粒子間の空隙を埋めて固化し、焼結部品の製造を実現します。この方法は「間接焼結」と呼ばれます。この方法では部品全体を完全に印刷することができますが、一部の関連研究者は、得られた部品の密度が低いことを発見しました。
学術界では、南京航空航天大学の顧東東氏らが、最大出力1KWのCO2レーザー、結合剤としての事前合金化CuSn粉末、脱酸剤としてのCuPを使用し、Cu+CuSn+CuP粉末を焼結して密度82%の銅部品を製造した。 Tang Yらは、200 Wのレーザーを使用して、結合剤として事前合金化された金属粉末Cu3Pを使用したCu + Cu3P粉末をレーザー焼結し、最終的に密度76%の部品を製造しました。さらに、Sublimation 3Dなどの国内メーカーも銅素材の間接3Dプリントを研究し、画期的な成果を上げています。
△昇華3D UPS-250で印刷された純銅サンプル。上記の比較から、初期の関連研究では依然としてレーザー出力とビーム品質の影響を受けており、準備された部品の密度が低く、成形品質が劣っていたことがわかります。これには、銅のレーザー吸収率の難しさを克服し、安定した成形条件を生み出すために、より高出力でより高品質のレーザーを使用する必要があり、それによってレーザー選択溶融によって成形される銅部品の品質と性能が向上します。
レーザー技術の継続的な発展に伴い、レーザーの安定性とビーム品質も絶えず向上しており、その結果、高ビーム品質、高安定性、高出力のレーザー機器がいくつか実用化されています。一部の研究者はこの種の装置を使用して実験を行い、部品の密度が大幅に向上したことを発見しました。 Lykov PAらは、Pro DM125装置を使用して、さまざまなプロセスパラメータで純銅サンプルを準備しました。レーザー出力200W、スキャン速度100mm/s、ライン間隔0.12mm、層厚0.05mmの条件下で、密度88.1%の純銅サンプルが得られました。池商事TTらは、1KWの高出力シングルモードファイバーレーザーSLM装置を使用して、レーザー出力800W、スキャン速度300mm/sの条件下で、密度が最大96.6%の純銅サンプルを得ました。また、形成された部品の品質に対するスキャン間隔の影響を研究し、得られたサンプルの密度はスキャン間隔が約0.1mmのときに最も高くなることを発見しました。 Colopi M らは、同じレーザー SLM 装置を使用して、密度が 97% を超える純銅サンプルを製造しました。 Jadhav SDらは高出力ファイバーレーザー装置を使用し、エネルギー密度740～1120J/mm3のプロセス条件下で最大98%の密度を持つサンプルを取得しました。
レーザー出力を増大させ、成形プロセスを最適化することで成形部品の高密度化を実現できますが、光学系に反射されたレーザーは光学コーティングを破壊し、レーザーをさらに損傷します。したがって、レーザービームの品質を改善し、レーザー出力を単純に増加させることは、効果的かつ実行可能な解決策ではありません。レーザー出力に対する銅の反射率を下げることだけが、この問題を解決する効果的な方法です。波長 515nm 未満のレーザーに対する銅の吸収率は 60% を超えるためです。したがって、レーザー波長を短くし、銅のレーザー吸収率を高めることが、銅のレーザー選択成形を実現するための鍵となります。
△出典：3Dサイエンスバレー
緑色レーザー 銅のレーザー反射率が高い問題を解決するために、一部の海外研究機関は、可視波長域で動作する新開発の高出力レーザー光源を使い始め、波長515nm（緑色レーザー）のレーザー装置を使用して、レーザーと銅のエネルギー結合方法を改善する実験を行っています。
2017年、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所の研究者らが、純銅のグリーンレーザー印刷の研究を先導しました。彼らは、純銅または銅合金の3D印刷用のグリーンレーザー選択的レーザー溶融（SLM）システムを開発しました。この技術は「グリーンSLM」と名付けられました。
2022年11月、ドイツの企業TRUMPは、フランクフルトで開催されたInternational Formnext Exhibitionで、最新の3Dプリンター「TruPrint 5000」とグリーンレーザー技術を展示しました。 2021年、TRUMPは初の3キロワット高出力連続緑色光ディスクレーザーを発売しました。この製品の平均出力は3キロワットにも達し、現在の緑色レーザーシリーズの中で最も強い出力を示すと報告されています。銅やアルミニウムなどの反射率の高い材料の溶接に非常に適しています。特に、新エネルギー自動車動力電池に代表されるリチウム電池業界に適しています。TRUMPF緑色光レーザー（1000〜3000W）は、スパッタがほとんどなく、溶融深度が正確で制御可能な最大120層の銅箔溶接を実現できます。さらに、高出力緑色光は、純銅材料の付加製造、つまり 3D 印刷アプリケーションにおいても優れた利点があります。
△3Dプリント部品は純銅で作られています。画像出典: TRUMPF
島津製作所（日本）は2018年に、高輝度で100ワットの電力を生成できるBLUE IMPACT青色インパクトダイオードレーザーを商品化しました。この製品は、日本の国家プロジェクトの一環として、島津製作所が大阪大学と共同で開発しました。 BLUE IMPACT レーザーは、日亜化学工業 (日本) の窒化ガリウム (GaN) 青色レーザーダイオードを多数組み合わせたもので、2006 年以降、効率が 2 倍になり、出力が 1 桁増加しました。島津製作所の 450 nm 青色ダイオードレーザーの主な用途は、銅材料の 3D プリントです。
上記の緑色レーザーは、1960 年代から 1980 年代にかけて、さまざまな非線形結晶材料を使用して Nd:YAG レーザーの共振器内周波数倍増を実行し、緑色の光源を得たときに発見されました。 1990 年代には、長寿命、高信頼性、小型、高効率などの利点を持つ高出力、高繰り返し率の全固体緑色レーザーが前例のない発展を遂げました。国産半導体レーザーの品質向上と海外製半導体レーザーの価格低下に伴い、国産全固体高出力緑色レーザーの研究も大きく進歩しました。
緑色レーザーを使用すると、溶接用途で銅との相性が良くなることがわかっています。実際、緑色の波長（λ = 532 または 515 nm）は、固体状態だけでなく液体状態においても純銅によって吸収されやすくなります。対応する吸収率は、固体の場合は 40% ～ 60%、液体の場合は 25% ～ 50% になると予想されます。ドイツ光技術研究所の研究結果によると、室温20℃で銅が固体状態にある場合、緑色光帯域における吸収率は約40％ですが、温度が1600℃まで上昇し銅が溶融状態になると、吸収率は約5％低下します。つまり、銅が溶けると緑色光の吸収はわずかに減少します。この機能により、銅を加工する際にスパッタがほとんど発生せず、安定した小穴が得られます。これは、赤外線レーザー溶接に比べてグリーンレーザー溶接が明らかに優れている点です。したがって、L-PBF 銅での緑色レーザーの広範な使用を促進することが、現在の研究作業の主な目標です。
青色レーザー レーザーと銅のエネルギー結合を改善するための 2 番目のアプローチは、青色レーザーソースを使用することです。したがって、波長 450 nm の高出力青色ダイオードレーザーも、銅のレーザー 3D 印刷の有力な候補となります。
Hummel らは、純銅と Cu-6Sn 合金に関する研究で、銅の青色レーザーの吸収率は 515～530 nm よりもさらに高く、伝導溶接では 80%、515 nm では 60% に達すると指摘しました。しかし、より高い出力がすでに開発されているにもかかわらず、既存の青色レーザーダイオードは明るさと利用可能な集束ビーム径がまだ限られており、従来のレーザー溶接よりも高いスキャン速度が必要になるため、L-PBFでの適用が制限されています。
△ 銅、金、アルミニウムなどの素材は、他の波長よりも青色レーザー光をよく吸収します。 NUBURU/NASA 1969年の画像
2022年5月、Antarctic Bearは、高速押し出し（HSE）3Dプリント技術のOEMメーカーであるEssentiumと、産業用レーザーの専門家であるNUBURUが協力して、銅、金、アルミニウム、ステンレス鋼などの金属の従来の金属3Dプリントプロセスにおける反射しやすい、成形が難しいという問題点を効果的に解決できる新しい青色レーザーベースの金属3Dプリンターを開発したことを知りました。新しいレーザー金属3Dプリンターは、NUBURU独自の青色レーザー技術を統合し、ワイヤー供給の形で材料を加工できるようになると報告されており、指向性エネルギー堆積（DED）の原理に基づいて動作することが推測できます。さらに、NUBURU は、青色レーザー技術により、競合他社よりも最大 10 倍高速な 3D 印刷が可能になるとともに、非常に高密度な金属印刷も可能になると主張しています。
△NUBURUブルーレーザー。写真提供：NUBURU。
NUBURU も高出力青色レーザー技術に注力している企業です。同社は産業用生産ラインの開発とエネルギー貯蔵、電気自動車、3D プリント市場の開拓のために 2,000 万ドルを調達しました。レーザークラッディングとレーザー金属堆積 (LMD) は、原材料を融点まで加熱して表面に接着する 2 つのアプリケーションです。 NUBURU によれば、同社の青色レーザー技術の利点により、銅をステンレス鋼にクラッドすることが可能になる（逆もまた同様）。産業用青色レーザーは銅金属を層ごとに溶かすことができ、この利点はレーザー金属堆積積層造形プロセス (LMD) にも及びます。金、銅、アルミニウムなどの反射性金属の場合、青色レーザーは赤外線レーザーよりも 10 倍速く造形でき、より高い品質をもたらします。
△出典：NUBURU
南極のクマの概要 上記の研究は、緑色レーザーと緑色レーザーの両方が、高反射金属材料の 3D 印刷に適した光源として使用できることを証明しています。純銅材料の 3D 印刷は、関連する問題を効果的に解決し、より高い密度を実現できます。しかし、これら 2 種類のレーザーのコストは依然として比較的高く、緑色/青色レーザーの改善とコスト削減は、今後も解決する必要がある問題です。レーザー3Dプリント技術が純銅素材に大規模に適用できれば、銅素材3Dプリントの市場規模はさらに拡大すると予想されます。
参考文献

楊睿。電子ビーム選択溶融3Dプリント銅成形プロセスの研究[D]。昆明科技大学、2020年。
Yang Rui、Li Zhenhua、Li Huaiyang、Teng Baoren、Shen Jibiao。選択溶融3Dプリント銅の研究の進歩[J]。Rare Metals、2021、45(11):1376-1384。
Nordet G, Gorny C, Mayi Y, et al. 1kW CWグリーンレーザーによる純銅のレーザー粉末床溶融中の吸収率測定[J]。光学およびレーザー技術、2022、147: 107612。
実用情報: 銅/銅合金の 3D プリントに関する 9 つの技術紹介 - Nanjixiong 3D プリントネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com)
「緑色レーザーは純銅材料の 3D プリントに使用されることが期待されています」 - OFweek Laser Network、https://laser.ofweek.com/2022-06/ART-8300-2400-30565661.html
「ドイツ、銅材料用の緑色レーザー 3D 印刷技術を開発」 - 中国国防科学技術情報センター https://www.chinania.org.cn/html/hangyexinwen/guoneixinwen/2017/0918/50585.html
蘇州北峰 SP100 が純銅と銅合金の 3D プリントに成功 - 南吉雄 3D プリントネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com)
技術を活用し、昇華3D間接3Dプリント純銅材料の高密度部品 - 南極熊3Dプリントネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com）
「純銅 3D 印刷技術の開発: SLM、3DP、FDM から DLP まで」 - 3D 印刷技術リファレンス、http://amreference.com/?p=15388
「TRUMPF が初めて緑色レーザーによる銅および貴金属の 3D プリントを開始」 - 3D Printing Network、http://www.zmozx.com/news/show-22451.html

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