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TRUMPFファイバレーザのメリット

ファイバレーザとは?どのような用途で使用されるのか?ファイバレーザで加工できる材料は?本ページでは様々な種類のファイバレーザと、製造タスクにおけるそれらのメリットについて詳しく説明しています。

ファイバレーザの用途と利点

業界を超えた多様性

ファイバレーザは、航空宇宙、Eモビリティを含む自動車、歯科、電子機器、宝飾品、医療、科学、半導体、センサーシステム、太陽電池など、ほとんど全ての業界で使用されています。

設置面がわずかでコンパクト

ファイバレーザはコンパクトで省スペースです。そのため、スペースが不足しがちな製造に理想的です。

材料の多様性

ファイバレーザは多種多様の材料を加工することができます。世界のレーザ加工の大部分は金属(軟鋼、ステンレススチール、チタン、アルミニウムや銅などの反射性材料を含む)ですが、プラスチック、セラミック、シリコン、繊維なども加工されています。

コスト効率

ファイバレーザは、間接費や運転コストの削減に最適です。これは、費用対効果に優れ、メンテナンスコストが極めて低い、コスト効率の高いソリューションです。

簡単な統合

TRUMPFファイバレーザは、数多くのインターフェースにより、お客様の機械やシステムに迅速かつ簡単に統合することができます。お客様のパートナーである当社は、OEM・コンプリートソリューション(レーザ、光学系、センサーシステム、サービス)提供者として、常にお客様の側に寄り添い、サポートいたします。

エネルギー効率

ファイバレーザは高効率で、従来の製造機械よりも消費電力が少ないのが特徴です。これにより、エコロジカルフットプリントを減らし、運転コストを削減することができます。

ファイバレーザの機能とは?

すべてのレーザは、レーザ光源、利得媒質、共振器という3つの重要な要素を持っています。 レーザ光源は、外部供給されたエネルギーを用いて利得媒質を励起状態にします。このレーザ活性媒質の励起状態は、いわゆる反転分布によって特徴づけられ、物理的なプロセスによって媒質が光を増幅することを可能にします。これは誘導放出と呼ばれ、アルベルト・アインシュタインが最初に提唱しました(LASER = 「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(放射線の誘導放出による光増幅)」)。ファイバ内部のファイバブラッググレーティングは、利得媒質の周囲でミラーとして機能し、共振器を形成します。この共振器は、光エネルギーを共振器内に閉じ込めてさらに増幅する一方で、部分的に透明なミラーを用いて光エネルギーの一部を一方向にアウトカップリングすることもできます。この光エネルギーのアウトカップリングされた部分がレーザー光線であり、様々な目的に使用することができます。 

TRUMPFはポンプレーザダイオードからの光を利得ファイバの活性媒質に結合するための独自の方式を開発しました。「GT-Wave」と呼ばれる方式(図参照)では、ポンプファイバが数メートルの長さにわたって利得ファイバと接触しています。内部で反射した光線が界面に入射するたびに、ポンプ光の一部が利得ファイバに入ります。その後、これらの光線は、希土類(イッテルビウム)をドープしたコアを通過する際に部分的に吸収され、利得媒質を励起します。このようにして、ポンプ光全体が利得ファイバの長さにわたって均一かつ持続的に吸収されます。この方式のメリットの一つは、ポンプモジュールを追加することで、より高いレーザ出力に簡単にスケーリングできることです。この方式のもう一つの強みは、一般的なエンドポンプ方式による利得ファイバの端面の「ホットスポット」を回避できること、並びに利得ファイバの長さに沿ってポンプエネルギーが蓄積されることで均一な利得プロファイルが得られることです。

ファイバレーザは、希土類元素(エルビウム、ツリウム、イッテルビウム)などを添加したファイバをレーザ活性媒質として使用する一つのレーザタイプです。これにより、ファイバレーザは、レーザ活性媒質が結晶(ディスクレーザなど)やガス(CO2レーザなど)である市販の他のレーザと区別されます。

ファイバレーザは、ビーム長さ、持続時間、強度、熱放散を管理することで、正確な速度と出力を制御し、絶対的な効率を実現します。

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ファイバレーザで加工できる材料は?

ファイバレーザは、様々な材料の加工に非常に適しており、長年産業用途で使用されてきた実績からも高信頼性を得ています。ファイバレーザは、特に金属の加工に適しています。その際、金属の種類は従属的な役割を果たしています。ファイバレーザは、軟鋼、ステンレススチール、チタン、鉄、ニッケルのほか、アルミニウム、真鍮、銅、貴金属(銀、金)などの反射性金属を加工します。さらに、アルマイト処理や塗装が施された表面のある材料にも対応しています。 ファイバレーザ、特にパルスナノ秒レーザは、シリコン、宝石(ダイヤモンドを含む)、プラスチック、ポリマー、セラミック、複合材料、薄膜、レンガ、コンクリートなどの加工にも使用されます。

どのファイバレーザを購入する?

まず第一にTRUMPFが提供しているファイバレーザタイプの違いを知っておくことが重要です。当社では、パルスファイバレーザ、連続波 (Continous Wave = CW) ファイバレーザ、超短パルスレーザを提供しています。パルスファイバレーザは、レーザ光線をパルス状に放射します。個々のパルスの持続時間は、ナノ秒からマイクロ秒の範囲で制御することができます。CWレーザは、連続したレーザ光線を照射しますが、kHzの周波数範囲までビーム出力を変調することが可能です。連続波ファイバレーザは、性能と高出力により多くの重点が置かれているため、CWレーザは産業環境で最も頻繁に使用されています。短いパルス内でより高いピーク出力を得る必要がある場合、CWレーザよりもパルスファイバレーザの方が常に適しています。 さらに、マイクロレーザのパルス時間は、ピコ秒よりもさらに短くなります。350 fs(フェムト秒)まで下がります。

ファイバレーザ向けの代表的なアプリケーション

ファイバレーザは、製造業界の多くの分野に適しています。主に効率と速度が必要とされる重工業での一部の用途には、メンテナンスや維持補修がわずか又は全く必要のないCWファイバレーザが最適なソリューションです。CWレーザは、レーザ穴開け、レーザカッティング、レーザ溶接に最も適しています。複雑な形状で非常に特殊なカットが必要な場合は、パルスファイバレーザが最適なツールになります。

レーザ溶接

レーザ溶接とは、同種または異種の材料を接合するために材料を溶接するプロセスのことです。レーザ溶接は品質とコスト面で非常に優れています。厚手の鋼板、燃料電池やバッテリーから、医療機器製造用の細線まで、多くの材料と幅広い厚さの材料での溶接が可能です。

レーザカッティングによるトランクリッド
レーザカッティング

レーザカッティングとは、材料をレーザ光線で切断する方法です。これは、小さい材料や細かい材料、又ははるかに厚い材料(板金など)にも使用することができます。このプロセスでは、集光されたレーザ光線(パルス波又は連続波など)を使用して、様々な材料を繰り返し高精度で切断します。

積層造形

積層造形とは、材料を層状に追加して3D部品を作るプロセスです。 一般的には「3Dプリント」とも呼ばれています。3Dプリンタとコンピュータソフトの組み合わせにより、複雑な形状を作り出すことができます。積層造形の技術は30年以上前から存在していますが、その汎用性と優れた収益性により、広く産業利用されるようになったのは近年のことです。ファイバレーザは3Dプリントシステム内のレーザ光源として頻繁に使用されています。

TruMicro 7000シリーズのレーザによる塗料剥離
レーザアブレーション

レーザアブレーションとは、レーザにより正確に層を除去するプロセスです。レーザは様々な材料(固体金属から、セラミック、工業用化合物まで)を除去することができるため、除去する材料の種類は二次的に重要となります。アブレーションは、電子製品(半導体やマイクロプロセッサなど)の製造によく用いられます。このプロセスの大きな利点は、高い精度と正確さで除去が行われることです。このアブレーションはワンステップで行われます。エッチングなどの従来の方法では、通常複数のステップが伴っていたため、これは大きな利点と言えます。レーザアブレーションは、従来の方法(ドライアイスブラストなど)と比較して、溶剤や化学薬品を使用しないため、費用対効果が高く、環境に優しい技術です。

Laser cleaning with the laser
レーザクリーニング

レーザクリーニングでは、レーザにより材料の表面に付着している不純物や堆積物、汚染物質(金属、カーボン、シリコン、ゴムなど)を除去します。 レーザクリーニングには、材料の表面にある層を除去するものと、材料の最上層全体を除去するものがあります。

レーザアブレーションの利点として、環境への配慮の向上(化学薬品や溶剤を使用せず、廃棄物が最小限であるため)、基板の摩耗の低減、マイクロコンポーネントのクリーニング(特にエレクトロニクス分野)などが挙げられます。

微細穴開け
レーザ穴開け

レーザ穴開けは、特定の領域にレーザ光線を繰り返しパルスすることによって実現される、材料に穴を開ける非接触の方法です。材料は、穴が開くまで、層ごとに蒸発して溶融します。このプロセスは、材料の厚さ、作る穴の数、その穴の大きさ(幅と深さ)に応じて異なります。

ファイバレーザ穴開けの利点としては、接触による「摩耗」や「不純物」の排除、高度な繰り返し精度、数多くの材料での処理、様々な形状や大きさの精密な穴の生成、製造プロセスへの簡単な統合、必要なツールの削減による迅速なセットアップなどが挙げられます。

TruMark 5000シリーズによるプラスチックの変色
レーザマーキング

レーザマーキングでは、高強度のパルスレーザ光線を用いて、表面に直接、文字が書き込まれます。 レーザ光線が部品表面と相互作用することで、材料が変化し、目に見える変色、構造化又はマーキングが発生します。レーザマーキングにおいても、様々な材料に対応しています。従って、あらゆる金属に加えて、 セラミック、プラスチック、LED、ゴム、グラフィック複合材料などにもレーザマーキングが可能です。

レーザーエングレービング

レーザ刻印では、材料の一部を除去して、目に見えるエングレービングマークを残します。彫刻プロセスは、レーザ光線により生成され、材料を除去してマーキングを生成します。その際レーザはノミのように機能し、対象物の材料の選択された領域を吹き飛ばします。対象物は表面の下部にマーキングされています。深さは、滞留時間、エネルギーパルス、パス数並びに材質に応じて異なります。

ファイバーレーザ対CO2レーザ

ここでは、ファイバレーザとCO2レーザの比較をご紹介します。ファイバレーザは世界市場で入手可能な新しいタイプのレーザです。ファイバレーザには可動部品やミラーはなく、メンテナンスコストが低く、電気効率に優れています。さらに、非常に薄い金属でも厚く反射性のある金属の加工にも適しています。CO2レーザは、今日主に、プラスチック、繊維、ガラス、アクリル、木材、さらには石材などの非金属材料の加工にかなりの範囲で使用されています。厚い材料(通常は5 mmを超える厚さ)を加工する場合に利点があり、ファイバレーザよりも直線でより迅速に処理することができます。

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お客様向け情報

TRUMPFパルスレーザ技術のイメージ
パルスレーザ

TRUMPFのパルスレーザのパルス出力は高く、短い高エネルギーパルスであるため、ほぼあらゆる金属のスポット溶接及びシーム溶接に最適です。

短パルス及び超短パルスレーザ

TRUMPFの短パルス/超短パルスレーザは、切断、穴開け、アブレーション、ストラクチャリングなどのマイクロ加工向けの成熟したツールです。

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