01 技術原理と特長
水誘導レーザーの基本原理は、レーザー ビームを高圧マイクロ ウォーター ジェットに結合し、ウォーター ジェットを通じてレーザーを材料の表面に誘導することです。-このシステムでは、レーザー源によって生成されたレーザーは、まずコリメートと集束のために一連の光学コンポーネント (レンズやミラーなど) を通過し、次に特殊なノズルを介して高圧ウォーター ジェットと結合されます。-図 1 に示すように、ウォーター ジェットはノズル内に小さなチャネルを形成し、レーザー ビームはこのチャネルを通ってワークピースの表面に導かれます (図 1 を参照)。水の屈折率は空気の屈折率と異なるため、水中でのレーザーの伝播経路が変化するため、レーザー ビームの安定性とエネルギーの焦点を確保するには精密な光学設計が必要です。
図 1. 水誘導レーザーの技術原理-。
高精度: 水-誘導レーザー技術により、サブミリメートル、さらにはマイクロメートル-レベルの加工精度を達成できます。ウォータージェットの直径は非常に小さく、通常はわずか数十から数百マイクロメートルであるため、レーザービームをワークピース上の特定の位置に正確に誘導して、微細な切断、穴あけ、または彫刻作業を行うことができます。高効率: 水ガイドレーザー加工中、レーザービームはウォータージェットを通じてワークピース表面に直接伝達され、エネルギー損失と空気中での散乱が低減されます。さらに、ウォータージェットは冷却効果とフラッシング効果も提供し、ワークピースの表面温度を効果的に下げ、熱の影響を受けるゾーンを減らすことで、加工効率と品質を向上させます。{6}}熱損傷の軽減: ウォーター ジェットの冷却効果により、水誘導レーザー加工における熱影響ゾーン (HAZ)-は非常に小さくなります。-熱影響部-とは、レーザー加工中の熱伝導や輻射により、熱変形、損傷、または相変化が生じるワークピースの表面および内部の領域を指します。水誘導レーザー加工におけるウォーター ジェットの急速冷却-により、ワークピースの表面から熱が急速に除去され、それによって熱の影響を受けるゾーンのサイズと深さが減少し、-材料の熱変形や損傷が防止されます。
図 2. (a) 「従来の乾式レーザー」切断と水誘導レーザー切断によるチタン合金切断断面の SEM 画像。(b) 水誘導レーザーと「従来の乾式レーザー」切断によって得られた CFRP の切断面の比較-。
02 応用分野
航空宇宙分野: 航空宇宙分野では、材料加工の精度と品質に対して非常に高い要求があり、水誘導レーザー技術がこの分野で広く使用されています。{0}この技術は、ブレード、タービン ディスク、燃焼室などの航空宇宙エンジンの主要コンポーネントの加工に使用できます。これらのコンポーネントは通常、超合金やチタン合金などの加工が難しい--材料で作られています。水誘導レーザーは、加工精度と表面品質を確保しながら、これらの材料を効果的に切断および彫刻できるため、コンポーネントの性能と信頼性が向上します。さらに、水誘導レーザーは翼や胴体などの航空宇宙船の構造部品の加工にも使用でき、複雑な形状や軽量設計の加工が可能になります。
半導体分野: 半導体製造では、水誘導レーザーを使用して、シリコン ウェーハなどの半導体材料を切断したり、チップのパッケージングやテストに使用したりできます。{0}半導体材料は非常に高い加工精度と表面品質を必要とするため、水誘導レーザーの高精度と低熱損傷特性により理想的な加工ツールとなっています。{2}}シリコンウェーハの微細な切断を実現し、亀裂や損傷を回避し、チップの歩留まりと性能を向上させることができます。さらに、水誘導レーザーは、超小型電子部品の製造や超小型回路のエッチングなど、半導体デバイスの微細加工にも使用でき、マイクロメートル、さらにはナノメートルレベルの加工精度を実現します。-
新エネルギー分野: 新エネルギー分野では、水誘導レーザーを使用して、ソーラー パネルや燃料電池などの新エネルギー装置の主要コンポーネントを加工できます。{0}たとえば、ソーラーパネルの製造では、水誘導レーザーを使用してシリコンウェーハを切断し、太陽電池表面の電極パターンをエッチングすることができ、パネルの光電変換効率と性能を向上させることができます。燃料電池の製造では、水誘導レーザーで膜電極接合体やバイポーラ プレートなどのコンポーネントを加工できるため、高精度の切断や彫刻が可能になり、燃料電池の性能と寿命が向上します。-
図 3. 水誘導レーザーの応用-。
03 水が直面する課題と課題-誘導レーザー
ウォーター ジェットの安定性: 水誘導レーザー加工中、高速で流れるウォーター ジェットが不安定になる可能性があり、加工の品質に影響を与える可能性があります。{0}たとえば、切断中にウォータージェットの変動により切断ラインにズレが生じたり、表面粗さが増大したりする可能性があり、加工精度と表面品質の両方に影響を与えます。ウォータージェットの安定性を確保するには、処理全体にわたって安定した状態を維持できるようにウォータージェット制御システムを最適化する必要があります。
レーザー-水の結合効率: レーザー ビームとウォーター ジェット間の結合効率は、加工結果に直接影響します。結合効率が低いと、ウォータージェットにおけるレーザーエネルギーの損失が増加し、加工効率と品質の両方が低下します。
ノズル穴の技術要件: 高品質の{0}水-誘導レーザー加工を保証するには、ノズル穴の設計と製造精度が重要です。ノズル穴は、水流の衝撃に耐えられるよう、高い真円精度とゼロテーパーを維持しながら極薄肉とする必要があります。さらに、ウォーター ジェットの安定性と一貫性を確保するには、穴の内面の粗さを極めて低く保つ必要があります。
環境への適応性: 水誘導式レーザー加工装置には、高い環境要件が求められます。{0}たとえば、機器の動作には、安定した電力供給、きれいな水、一定の温度と湿度の環境が必要です。温度変化が大きい、湿度が高い、電源が不安定など条件が悪い環境では、機器の性能が低下したり、故障する場合があります。また、環境中の粉塵や振動などの要因により加工が妨げられ、加工精度や品質に影響を与える場合があります。したがって、実際のアプリケーションでは、装置の動作環境を厳密に制御および管理する必要があります。
04 国内外の業界の発展状況
レーザー精密加工技術の継続的な進歩と市場需要の増大に伴い、水誘導レーザー加工技術も継続的に開発、改善されています。{0}国際的に認められた水誘導レーザー装置の大手メーカーには、主にスイスの Synova と Avonisys の 2 社があります。-現在、国内の水誘導式レーザー加工装置会社のうち、比較的急速に発展している企業としては、Wot Intelligent Manufacturing、Cosset、Shanghai Lengchen Technology などが挙げられます。{4}他の企業では、海外の関連技術を直接導入し、製品を最適化しながら国内で組み立て、生産するというアプローチを採用しているところもあります。これにより、技術的なギャップをすぐに埋め、短期的には研究開発のコストと時間を削減できますが、長期的には、外国の中核技術への依存、不均衡な研究開発投資、産業チェーンへの波及リスクなど、依然として一定の問題が残っています。著者は「紹介-吸収-を超える」という好循環を確立すべきだと考えています。良いニュースは、現在、100％現地生産のコンポーネントを使用して商用機器を提供できる国内企業があることです。中国の製造業の変革と高度化に伴い、水誘導レーザー加工技術はハイエンド製造、特に新エネルギー自動車、航空宇宙、ハイエンド機器の製造において、より重要な役割を果たすことになるでしょう。-水誘導レーザー技術の応用は、これらの業界における技術革新と製品のアップグレードを促進します。
