ウォータージェット誘導レーザー加工の過去と現在
Synovaは、ウォータージェットレーザー技術の研究開発に注力している会社です。1994年のLaser MicroJet（LMJ）特許の最初の登録と認証以来、30年近くの開発を経て、現在、航空宇宙、半導体の製品を取得しています。およびその他の分野。ある程度の応用。 従来のレーザー熱処理方式と比較して、この加工方式は、レーザーと極薄ウォータージェットを組み合わせ、従来の光ファイバーと同様に全反射でレーザービームを正確に誘導します。
ウォータージェットレーザー加工プロセスでは、高圧の水ジェットが切断領域を継続的に冷却し、レーザー切断によって生成された破片を効果的に除去できます。 LMJテクノロジーは、「低温でクリーンで制御可能なレーザー」として、熱損傷、汚染、変形、破片の堆積、酸化、マイクロクラック、テーパーなど、従来のレーザー加工で発生しがちな問題のいくつかを効果的に解決できます。
100年前の職人技への予備調査
1841年、スイスのジュネーブ大学のダニエルコラドン教授は、学校の講堂での全反射に基づく「ライトガイド」と呼ばれる光学現象について最初に説明しました。同年、彼はパリ芸術科学天文台でモデルを展示しました。光と水を組み合わせる理論が提案されたのは世界で初めてです。
https://www.htrlaser.com/product-p1690583.html
ダニエルコラドンのモデルは、光源としてアークランプを使用しています。レンズは水タンクを通して光を集束させ、反対側から排出された穴に沿って光を再集束させます。水中の光がウォータージェットの端を特定の角度で横切ると、内部全反射が液体内の光を「トラップ」します。光は、ウォータージェットの方向に沿って湾曲した弧を描いて跳ね返り、収集トレイに飛び散ります。実際、そのような装置を通して、光は水の曲線に沿って移動します。
1889年のパリ世界博覧会の間に、本発明は噴水を照らすために初めて使用され、世界に示されました。 180年後の今日、同じ光ガイド効果が光ファイバーでも発生します。スイスの科学者の子孫であり、Synovaの創設者であるBernold Richerzhagenとして、発明されたウォータージェットレーザープロセスはColladonの実験に似ていますが、ウォータージェットは白色光の代わりにレーザービームを使用します。圧力。より高い。
後継
30000mw高出力レーザー
Richerzhagenは、ドイツのRWTHアーヘン大学で機械工学の修士号を取得し、博士号取得時に歯科用レーザープロジェクトの資金を受け取りました。目的は、歯科用レーザーエネルギー伝送システムの開発です（う蝕を除去するため）。 。当時、Richerzhagenは、レーザー穴あけ中に歯を冷却する2つの方法を検討していました。 1つは水を噴霧することであり、もう1つはウォータージェットの全反射でレーザー穴あけをガイドすることです。
ウォータージェット誘導レーザーには明らかな利点があるため、最終的に2番目の方法を採用することにしました。平行レーザービーム、長い焦点距離、急速冷却。歯の周りの神経系は温度に非常に敏感であるため、熱による損傷を回避できます。変化します。彼がレーザービームをウォータージェットと結合した最初のプロトタイプは、パルスレーザー（最初は色素レーザー、次にYAG赤外線レーザー）、10barの水圧、水源としての脱イオン水、および高圧ウォータージェットノズル（100μm）を使用しました。直径）。
この装置は、準静的水流の理論に基づいており、自由水ジェットで安定した層流を実現します。水は、ノズルを通過するまで、チャンバーから連続的かつ均一に加速します。図1に示すように、その特徴は、光学デバイスとウォータージェットカップリングを分離し、高品質のノズルを使用して安定したウォータージェットを生成することです。レーザービームは、水室の窓からウォータージェットノズルに集束され、ノズルから噴射されるウォータージェットに結合されます。
しかし、実験結果はリチャーザゲンの心理的期待を満たしていませんでした。実際、実験計算とシミュレーションでは、すべてのレーザービームがノズルを通過する必要があることが示されていますが、ノズルは簡単に損傷します。同時に、彼は積極的に特許出願を準備しています（LASAG、No。FR2 676 913、1991年5月）。次の2年間、Richerzhagenはノズルの損傷の問題の解決に焦点を当て、レーザービームがノズルに正確に焦点を合わせられなかった実際の理由を調査しました。
調査の結果、Richerzhagenはノズルの損傷の核心を発見しました。彼は、各パルスの間に、水がレーザーエネルギーのごく一部を吸収し、それを熱に変換することを発見しました。水温が連続的に上昇すると、屈折率が連続的に変化し、いわゆる「ネガティブレンズ」効果が生じます。レーザーパルス後しばらくすると、熱伝導や対流などの熱交換プロセスによって水が冷えます。その結果、屈折率は再び初期レベルまで上昇します。現時点では、熱伝導レンズは効果がありません。この現象は、サーマルブルーミングまたはサーマルデフォーカスと呼ばれます。
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パルスエネルギーの増加に伴って伝送損失が増加し、熱焦点ぼけが結合の問題を引き起こします。このデフォーカスにより、レーザービームが広がり、焦点位置がシフトします。したがって、レーザーエネルギーのかなりの部分が焦点の外側の領域に当たり、ノズルに損傷を与えます。
レーザービームに対する水温の上昇の影響を判断した後、Richerzhagenの次のタスクは、レーザービームが水を通過するときの変化を測定することでした。実験的認証と数学的計算を通じて、彼は屈折率と水温の関係を決定するための正確な方法を見つけました。さらに、彼は数値シミュレーションを使用して、熱焦点ぼけ下でのビームプロファイルの実験的測定を再現しました。 Richerzhagenは、1993年に、材料をアブレーションするための最初のウォータージェットガイドレーザーの実証に成功し、1994年に本発明の特許出願を完了しました。販売商標はLaserMicroJet®（LMJ）です。動作原理を図2に示します。
新しいレーザー加工技術
現在、Synovaが発表した情報によると、そのレーザーは半導体励起ソリッドステートパルスNd：YAGレーザーを使用しており、パルス持続時間はマイクロ秒またはナノ秒で計算され、波長は1064nmまたは532nmであり、平均レーザー出力範囲は20W-400Wです。 50〜800バールでは、1時間あたりの水の消費量は約10リットルであり、発生する力はごくわずかです（<0.1N）。ノズルはサファイアまたはダイアモンドでできており、長く安定したウォータージェットを長時間スプレーできる十分な硬度があります。
ウォータージェットガイドレーザー（レーザーマイクロジェット）は、低温で長い作動距離でのウォータージェット切断の利点を備えているだけでなく、従来のレーザー切断の精度と速度を備えた革新的な切断技術です。したがって、この技術は広く使用されており、他の型にはまらない処理方法（EDM、レーザー、研削、研磨ウォータージェット）で独自の利点を示しています。
従来のレーザービームやマイクロジェットレーザービームと比較すると、レーザービームの発散により、従来の集束レーザービームの作動距離は数ミリメートルから数分の1ミリメートルに制限されており、必要なだけではありません。正確な焦点合わせと距離制御だけでなく、トリミングの長さも制限します。アスペクト比、テーパーレーザービームは非平行な処理壁を生成します。また、レーザー熱処理で廃棄物粒子が堆積した後は、廃棄物除去効率が低く、バリが発生しやすい。
レーザーマイクロジェット技術は、空気-水界面で完全に反射されるレーザービームを使用します。ビームの処理距離は10cmを超え、集束や距離制御なしで平行な刃先を形成できます。凹凸のある切削面は問題なく、3D切削が可能で、可変切削深さは最大数センチです。シリンドリカルレーザーは平行な切断壁を生成できるため、安定した高品質の切断結果を得ることができます。長さと幅が比較的広く、刃先の幅が小さい（>20μm）ため、少ない材料で同じ深さの切断効果を得ることができます。損失。
ウォータージェットの冷却効果により、熱による損傷や材料の変化を回避できるため、高強度を維持できます。薄い水膜は廃棄物粒子の堆積と汚染を排除し、表面保護層を処理する必要はありません。高運動エネルギーのウォータージェットは、バリの形成を回避するために溶融材料を噴霧します。
事実は、レーザーマイクロジェット技術が、半導体産業のように、非常に薄いトリミング、繊細な表面コーティング、変形しやすく感熱性のある高精度のワークピースの処理に特に適していることを証明しています。柱状ガイドレーザー切断は、優れた品質と低い材料損失を備えており、脆い材料と硬い材料を並行して切断するための理想的なソリューションです。
現在、SynovaのR＆Dチームは、ソリューションの研究、改善、最適化を継続的に行っています。レーザーマイクロジェット技術は、さまざまな材料、通常は高品質の表面仕上げを必要とするセラミック複合材料やCVDツールなどのハイテク材料を処理するために多くの産業分野でますます使用されています。さまざまな国の研究機関が、ウォータージェット誘導レーザー技術のアプリケーションの開発を開始しました。この技術の開発見通しは明るいと予想されます。