2021年レーザーシンポジウムと第4回国際積層造形シンポジウム（ISAM）の概要

出典: 江蘇レーザー連盟

はじめに: 過去 40 年間にわたり、レーザーベースのプロセスは、ニッチなアプリケーションから産業処理チェーンで広く受け入れられるツールへと発展してきたと報告されています。 CO2 レーザーから始まり、連続波またはパルスファイバーレーザーやディスクレーザーなどの新しいレーザー源の開発により、切断、接合、表面改質および熱処理、コーティング、そして (最近では) 付加製造にレーザーが使用されるようになりました。

図 1. 純銅のベンチマーク形状 (左)、密度 99.98% のサンプルの微細断面 (右)、および LPBF 純銅の微細構造 (挿入図、右上)。
現在、数ワットから数キロワットまでの出力を持つレーザー光源は、自動車、輸送、航空宇宙、エネルギー、工具と金型、石油とガス、医療など、多くの分野の幅広い用途に製造ソリューションを提供しています。現代の生産における高度な技術的成熟度と実証された経済的利益に基づき、科学者とエンジニアはレーザー加工の新しい分野を開拓するために今も懸命に取り組んでいます。この記事では、最近の成果、傾向、新しい応用分野について説明します。

動的レーザービーム成形により、ひび割れが発生しやすい材料の溶接の問題を軽減し、e-モビリティなどの新しい応用分野を開拓することができます。新しく開発された圧電駆動アクチュエータは、既存のガルバノメータ駆動 2D スキャン光学系に取って代わります。これらの新しいアクチュエータは、3 つの空間方向で光線を操作できるため、幅広いマルチパラメータ操作マトリックスを提供します。 2D スキャンではすでにプロセスの深い理解が必要ですが、溶接に高強度ビーム変調と組み合わせたコヒーレントビームなどの新しいレーザーシステムを使用する場合は、さらに重要になります。

図2 レーザー溶接中のAlMg3における動的ビーム成形による溶融池内のガス容積の形成と脱ガスのX線画像。

図3 レーザーケーブル（1）、衝突、集束装置、統合型xyスキャナを備えたモジュラー溶接ヘッド（2）、サンプルホルダー付き回転ステージ（3）、スリット/シャッター（4）、高解像度顕微鏡（5）、およびGigafrostカメラ（6）を含む実験セットアップ。

新しく開発されたX線断層撮影装置を使用して、溶接プロセス中のレーザービームと溶融池の相互作用を研究しました（図3）。高速 X 線画像では、図 2 に示すように、高スキャン周波数で振動するキーホールの徐々に脱ガスする効果が示されています。結果は、ビームフォーミングがアルミダイカスト材料の溶接プロセス中に安定化効果を持つことを示しています。さらに、2D ビーム成形は溶融池の動きと溶接欠陥の形成に影響を与えます。現在の研究は、溶接品質と加工関連の溶接プール特性の相互作用を根本的に理解することに焦点を当てています。欠陥の形成とメルトフローを関連付けることは、産業用途にとって非常に重要です。

高速レーザー切断<br /> シングルモードファイバーレーザーの出力レベルは 5 kW を超え、通常、薄い金属に対して高速切断を実現できます。 2D および 3D 部品の輪郭切断の場合、機械の運動学と動力学が制限要因となることが多いため、高速切断は直線切断でのみ達成可能です。ここでの目標は、ストリップ材料の機械的なせん断切断を高速レーザー切断に置き換えることです。レーザースリットの利点は明らかです。工具の摩耗がなく、処理時間もかからず、高強度鋼やアルミニウムや銅などの「軟質」金属に対して技術的な利点があります。電磁鋼板を経済的に加工するには、少なくとも 200 m/分の切断速度を達成する必要があります。プロセスウィンドウ (レーザー出力、焦点位置、ノズル間隔、ガス圧) を評価した後、その結果は 2 kW シングルモードファイバーレーザーを備えたパイロットスリッターマシンに転送されました。その結果、厚さ270µmの電磁鋼板を毎分200mの送り速度で1km切断することに成功しました。高度なプロセス研究では、5kW シングルモードファイバーレーザーを使用して、厚さ 230µm の配向性電気シートを最大 500 m/分の速度で切断します。図 4 は、さまざまな光学設定と電力レベルでの 300µm 厚の電気鋼の切断品質を示しています。シートの裏面のバリが完全に回避できることは注目に値します。

図 4 さまざまな光学系と電力設定での切断品質。

弾薬の取り扱いと除去のためのレーザー

レーザー切断技術は 1978 年に導入され、弾薬処理業界では成熟したプロセスと見なされています。レーザーのユニークな特性により、特殊な目的への応用が注目されています。たとえば、Fraunhofer IWS はレーザーを使用して軍需品 (図 5) や原子力発電所を解体しています。弾薬を使用する場合は、金属成分と化学成分を分離する必要があります。化学コアを取り出すには、密封された金属カバーを開ける必要があります。当然のことながら、生命を脅かす爆発を避けるためには化学物質の活性化を防ぐ必要があります。レーザーパラメータの制御可能性、水中での作業の可能性、遠隔制御機能により、レーザーはこのタスクに最適なツールになります。リモコンやその他のUSPにより、原子力発電所の解体も楽しくなります。現在使用されているプラズマ切断と比較すると、レーザーを使用した場合、溶融材料の体積は10分の1に減少し、核汚染ダストも10分の1に減少します。最新の研究によると、厚いコンクリートブロックは確実に特定の破片に分離でき、その後中間保管および最終保管にかけることができることが示されています。ここで使用されるレーザー装置は金属切断に使用されるものと同じですが、新しいプロセス方式が採用されています。

図5 バズーカミサイルを開く。

1980 年代後半にツール（「鋭い」、力や接触が不要、極めて制御可能、これまでに知られている中で最高の強度と拡張性）が発明されて以来、方向性シリコン鋼のレーザー処理は、その磁気特性を改善するために使用されてきました。しかし、新たな要求としては、耐熱性や恒久的な構造が求められています。約 10 マイクロメートルの深さで可能な限り狭い溝により、必要なドメインの細分化が実現します。レーザー遠隔処理、ドメイン改良、システムエンジニアリングの知識を組み合わせることで、効率的で高スループットのプロセスを実現する技術開発と機器設計が可能になります。高輝度レーザー放射、特定の焦点設定、および社内で開発されたスキャナーベースの偏向要素の配置を使用して、シリコン鋼を除去し、必要な溝を作成します。材料の取り扱い（連続コイル供給の代わりに移動テーブル）とは別に、この装置は実際の生産条件をシミュレートします。最大 50 m/s のスキャン速度で、深さ 20 µm の溝を刻むことができます。複数のレーザービームを同期することで、拡張性と関連する生産能力が向上します。

テストシステムはレーザードメインの薄化に限定されません (図 6)。表面除去、大面積熱処理、その他の高性能プロセスは、さまざまなレーザー光源を使用して適用されており、リクエストに応じて利用できます。

図6 レーザードメイン改良試験システム

純銅の積層造形<br /> AM による複雑な部品の製造は、もはや珍しい技術ではありません。すでにさまざまな業界、さらには消費者向けアプリケーションでも確立されています。ただし、銅部品の場合、これはまだ当てはまりません。銅は、熱用途や電気工学の重要な材料として、数え切れないほど多くの部品に不可欠な要素であり、過去 200 年間にわたる急速な技術発展に大きく貢献してきました。純銅部品の AM は、一般的に使用される赤外線レーザー放射の吸収率が低いため、特に困難です。銅合金を使用するとこの問題に対処できますが、合金元素によって材料本来の電気的特性と熱的特性が著しく低下する可能性があります。レーザー光源と振幅変調技術の新たな開発に基づき、Fraunhofer IWS は、それぞれに固有の利点がある 2 つの異なるレーザーベースの振幅変調プロセスを使用して純銅部品を製造することに成功しました。

レーザーパウダーベッドフュージョン (LPBF) では、よく知られている LPBF 技術を使用して、機能統合 (内部冷却チャネルなど) を備えた高解像度の複雑な形状の部品の製造が可能になります。冷却チャネルは、純銅製の効率的な熱交換器に大きな可能性を秘めています。レーザー出力を増加させることは、一般的に使用される赤外線レーザー源の吸収差を克服するために粉末を選択的に溶融できるようにするオプションです。しかし、全体的な効率が低い、高エネルギー入力による球状化、レーザー光の大きな後方散乱による光学系の損傷の可能性など、いくつかの具体的な欠点も示しています。波長 515 nm で吸収率が 280% 高い緑色レーザーソースに切り替えると、全体的な効率が向上します。さらに、これにより、非常に優れた電気伝導性 (>100% IACS、国際焼鈍銅規格) を備えた、完全に高密度な部品 (相対密度 99.95%) が得られます。

図7 緑色レーザーを使用したマルチマテリアル金型インサート（純銅/鋼 1.2764）のLMD。

レーザー金属堆積（LMD）

LMD は、10 年以上にわたって金属部品のコーティングと修復に実績のある技術です。 1kW の緑色レーザー光源と特殊な加工ヘッドを使用することで、基板上の純高密度銅部品や複雑な半製品を製造できます。粉末ベッドベースの積層造形と比較して、LMD はハイブリッド製造 (積層、減算) 方法と新しい次元でのマルチマテリアルプロセスを可能にします。さまざまな粉末を現場で塗布、交換、混合して、局所的に調整された材料特性を持つマルチマテリアル組成物を得ることができます。このアプローチは最近、銅の機能を局所的に実装し、サイクルタイムを短縮することで、金型インサートのパフォーマンスを大幅に向上させるために適用されました。

高出力レーザークラッディング

レーザークラッディングは、金属部品の修復や積層造形のためにカスタマイズされた表面コーティングや 3 次元堆積物を正確に適用するために業界で広く使用されています。しかし、石油やガスの生産、製紙産業、農業用のツールなど、より大きな部品の加工は、堆積速度が一般的に低いため、経済的に困難です。最新の高出力半導体レーザーは、大面積のレーザークラッディングや積層造形に実用的なソリューションを提供し、生産性を大幅に向上させます。

IWS では、競争力のあるコーティングソリューションを開発するために、レーザーライン出力 20 kW のファイバー結合ダイオードレーザーが 10 年以上にわたって使用されてきました。この技術を使用して達成される堆積速度は、一般的な PTA 技術の標準値と同等かそれを超えており、熱影響部の縮小、変形の低減、材料資源の節約などの大きな利点をもたらします。長年にわたり、環状ギャップや複数の粉末ストリームの使用、トラック幅 30µm ～ 45 mm の円形スポットまたは長方形スポットの生成など、さまざまな産業上の課題に対応するために、いくつかの同軸粉末ノズルが設計されてきました。

設備への初期投資が償却されると、原材料コストはレーザークラッディングプロセスの最適化において重要な役割を果たします。この効果は堆積効率を最大化することで相殺することができ、より安価な原料の使用が可能になる（

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