ウォータージェット指向のレーザー技術、多結晶ダイヤモンドをより効率的に加工

今日、ますます多くの材料が材料加工業者にとって課題となっています。 アルミニウム - マグネシウム合金、複合材料、硬質金属合金、金属粒子を含むプラスチックなどの材料を切断、穴あけ、および構築するには、非常に耐摩耗性の工具材料が必要です。 これはまた、選択される方法が通常、合成的に製造された多結晶ダイヤモンド (PCD) と工業用セラミックであることを意味します。

これらの超硬材料には、非常に高い耐摩耗性に加えて、低熱膨張や耐食性などの利点もあります。したがって、これらの超高性能材料を使用することで、処理ツールの継続的な精度と信頼性を確保すると同時に、ベアリング、ポンプ、モーターを高い応力摩耗から保護することができます。



また、産業用セラミックスの生体適合性により、医用工学の需要も高まっています。多結晶ダイヤモンドと工業用セラミックには上記の多くの利点がありますが、それに続く問題も非常に「現実的」です。つまり、これらの高硬度材料をどのように処理し、材料自体が処理摩耗の影響を受けないようにするかということです。



今、業界から与えられた答えはレーザーです。最近、II-VI 社は、多結晶ダイヤモンドおよび超硬セラミック材料用の一連のレーザー研削システム装置を市場に投入しました。同社が開示したデータによると、この一連のレーザー研削は、従来の EDM エッチング プロセス (EDM) と比較して、多結晶ダイヤモンドやセラミックの処理に比べて 2 倍効率的であり、処理エラーが発生しにくいということです。このシステムのコア コンポーネントは、波長 1060nm の空冷 450W ファイバー レーザーです。






超短パルスおよびウォーター ジェット誘導レーザー プロセス
これまで、高性能セラミック レーザー加工は、ドイツのフラウンホーファー レーザー技術研究所とそのインキュベーター パルサー フォトニクスが共同開発した重要な技術でした。近年、研究機関とパルサー フォトニクスの研究開発チームは、超短パルス技術を使用して脆性材料を処理し、マイクロクラックやスポーリングを回避しています。ピコ秒およびフェムト秒レーザーの助けを借りて、研究者は窒化ケイ素、アルミニウムと酸化ジルコニウム、二酸化チタンなどの工業用セラミックに小さな細孔構造とノッチを作成できます。



これらの素材は非常に硬いですが、レーザーの非接触加工特性により、加工による摩耗を防ぎます。フラウンホーファー レーザー技術研究所は、材料除去効率とセラミック加工品質の観点から、ピコ秒レーザー パルスの生産性は非常に高く、将来的に信頼できる加工方法になる可能性があると述べています。



超短パルス レーザー処理に加えて、スイスの会社 Synova は、自社開発のレーザー マイクロジェット技術 (レーザー マイクロジェット、LMJ と呼ばれる) を使用して、多結晶および単結晶ダイヤモンドを処理します。これまでに、同社は 350 セットの LMJ システムの販売に成功しています。このシステムの動作原理は、ノズルによって集束されたレーザー ビームを加圧水柱に発射して、直径 50 ミクロンの「ウォーター ジェット」を形成することです。



水柱は光ファイバーのように機能し、レーザー ビームを処理対象の材料の表面に導くことができます。 Synova 氏によると、マイクロ ウォーター ジェットのプロセス原理は、レーザー ビームが水柱を通過するときに、水と空気の間の遷移領域の内部全反射を使用することです。マイクロ ウォーター ジェットが多結晶または単結晶のダイヤモンド材料の表面に接触すると、25W ～ 30W の強度のレーザー パルスで材料を蒸発させることができ、水の役割は材料を冷却することです。一方で、加工エリアで焼灼された材料を洗い流す役割も果たします。



必要に応じて、マイクロ ウォーター ジェットを使用して、ダイヤモンドの表面に数センチの深さを削ることができます。現在、LMJ システムは、工業用ダイヤモンドだけでなく、研磨されていないダイヤモンド、ラインストーン、その他のジュエリー オブジェクトも処理できます。これまで、レーザーは非接触加工の高度な技術を再び示してきました。

航空産業におけるウォータージェット誘導レーザー技術の応用
2017 年、アメリカの GE 企業は、航空タービン エンジンのブレードを処理するために Synova の LMJ システムを使用しました。航空タービン エンジンの作動温度は非常に高く、時には鋼の融点に近い 1370°C を超えることもあります。そのため、非常に複雑な方法でエンジンブレードを冷却する必要があります。
エンジンを安定して稼働させるために、エンジニアはブレードに小さな穴や溝を加工して、冷気の循環を確保する必要があります。しかし、エンジンのブレードは毎分数千回転という高速で回転し、大きな圧力がかかるため、ブレードの性能を損なわずに正しい位置に穴をあけることは非常に複雑で困難です。



従来、製造業者はレーザービームを使用して小さな穴を加工する、つまり、鋼が蒸発するまで刃の表面を加熱するレーザービームを使用していました.このプロセスには高い精度が求められ、溶融した金属材料が飛散したり、微細な空気中に浮遊したりします.凝集物を溶かしてブレードの表面に付着させます。



LMJ システムは、一種の「冷間加工」プロセスとして、材料の周囲の温度を大幅に下げ、ブレードの処理中に発生する破片を除去することができます。エンジニアはこのテクノロジーを使用して、より優れた性能のタービン エンジンを設計し、より耐久性の高い部品をより迅速に製造できます。



現在、LMJ 技術は、金属、硬質材料、半導体プロセスなど、多くの高精度アプリケーションに適用されています。メス、針、その他の医療機器のメーカー、自動車の燃料ノズルやスパーク プラグのメーカー、単結晶および多結晶ダイヤモンド (PCD) ツールのメーカーがこの技術を採用し始めています。