レーザ加工技術動向調査

兵庫県次世代産業の創出による雇用創造プロジェクト / ものづくり基盤技術の高度化事業 レーザ加工技術動向調査 平成 30 年 1 月 16 日 ( 一財 ) 近畿高エネルギー加工技術研究所 高橋 渉 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 1

目的と調査範囲 [ 目的 ] レーザ加工関連技術の 主として学会動向 セミナーを調査し 関連企業の今後の技術開発への参考情報とする [ 調査範囲 ] 調査期間: H29 年 4 月 ~H29 年 11 月 対象:1 学会報告 2セミナー 3 展示会 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 2

調査対象とトピックス 件名 開催年月 開催場所 トピックス レーサ 加工学会 H29.4 H29.10 東京産総研大阪大学 レーサ 加工技術展 H29.4 東京ヒ ック サイト 光産業協会セミナー H29.9 東京新宿 溶接学会秋季全国大会 H29.9 九州工大 関西高機能材料 WEEK2017 関西ものづくりワールド 2017 H29.9 インテックス大阪 H29.10 インテックス大阪 InterOpto2017 H29.10 東京幕張メッセ 名古屋レーサ フォーラム 2017 H29.11 名古屋吹上ホール NADEX Private Show2017 H29.11 北名古屋 (1) ハイフ リット 超複合加工機開発 (2) アテ ィティフ マニュファクチャリンク (3D) (3) レーザ &IoT (4) シームトラッキング (5) 青色半導体レーザ開発 (6) 大出力 DDL FLレーザ (7) 超短パルスレーザ ( フェムト秒 ) (8) 高張力鋼板リモートレーサ 溶接 (9) 異材レーザ接合 (10) ウルトラ高速 LMD 赤字 : 今回講演 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 3

レーザ加工学会第 87 回 (H29 年 4 月 ) (1) アディティブマヌファクチャリング (3D プリンティング ) 3D Printing in Aerospace Avio Aero( イタリア ) 軽量化 25% 開発サイクル 30% 減 生産サイクル 40~80% を狙う 品質 コスト 性能の整合が重要とのこと レーザ加工技術を融合した超複合加工機がもたらす生産革新 オークマ今回講演 レーザ焼入れとレーザ粉体肉盛を機械加工機に搭載 金型の補修 複数材質の一体部品加工 工程集約にメリットを出す (2) レーザ加工に関する国家プロジェクト 1 ImPACT フ ロク ラムにおける超小型高出力ハ ルスレーサ ーの開発と応用 科学技術振興機構 H26 年度 ~H30 年度 550 億円 /5 年 超小型 XFEL(X 線自由電子レーザ ) と超小型高出力パルスレーザ開発 橋梁などの塗膜除去後の塩素分析装置への適用 エンジンのレーザー着火システム 皮膚疾患用レーザー治療器への適用検討 2 金属レーザ積層技術の現状と今後の展開 次世代 3D 積層造形技術総合開発機構 H26 年度 ~H30 年度 5 年計画 金属粉末を直接積層し製品を造形する技術と鋳物用砂型を積層によって造形する 2 つの技術開発を実施している 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 4

3 SIP 高付加価設計 製造を実現するレーザーコーティグ技術の研究開発 大阪大学 H26 年度 ~H30 年度 3 年間で 2 億円規模 青色半導体レーザ光源を用いた純銅のコーティングを狙う (3) 大型構造物へのレーザ溶接技術 1 炭素鋼厚板への狭開先レーザ溶接の適用検討 日立製作所レーザビームの揺動 (1~3mm) とシールドガスの選択 (Ar+20%CO2) により 溶接金属の酸素量が減り 低温靭性向上傾向が得られた ただ 150mm厚鋼板に対し 表裏合計 50パス多層溶接が必要 2 橋梁向けレーザ溶接技術の開発 IHI 溶接設備 老朽化した橋梁の補修要求が多く 東京オリンピックまでに様々なニーズが提案されている レーザを用いて現地で補修溶接をすることを目的として 亀裂の入った母材にレーザを照射し P Sなどの不純物対策を加味して レーザホットワイヤ溶接の適用検討を行い 見通しを得た 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 5

レーザ加工学会第 88 回 (H29 年 10 月 ) (1) ポスターセッション : 大学での研究成果の発表が主体 中間材を用いたAl 薄板 /CFRPのレーザ接合技術 茨木大学金属とCFRPの接合において 接着材 ボルト接合に代わるレーザ接合を検討 AlとCFRP の間にインジウム箔を入れて パルスレーザ照射で異材接合の可能性が得られた ナノ秒レーザを用いた CFRP のアブレーション加工と HAZ の評価 大阪大学ナノ秒レーザで CFRP の切断加工を行い 雰囲気ガスに大気 Ar 窒素を用いて行った結果 窒素雰囲気で加工行った場合に最も HAZ が小さくなった 青色半導体レーザを用いた選択的レーザ溶融法による純銅の積層造形 大阪大学出力 100W の青色半導体レーザ ( 波長 445nm) を用い 掃引速度 50mm 銅粉末粒径 63μm で 60 層積層 ( 高さ 6mm) SLM/3D プリンター造形を行った SLM 装置は島津製作所 ヤマサ キマサ ック 日亜化学 石川県工業試験場 村谷機械製作所の共同プロジェクト 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 6

(2) 複合加工機 DMG MORI における Additive Manufacturing の技術開発 DMG 森精機各種金属の積層と切削加工が 1 台で行える指向性エネルギー堆積法 (DED 方式 ) の複合機の特徴とアプリケーション事例 材料試験結果を報告 DMG 森精機 HP より 直噴型レーザーコーティング技術の工作機械への応用 ヤマザキマザック ( 株 ) 直噴型レーザーコーティング装置と切削設備を融合したハイブリッド複合加工機を開発した 仕様と加工事例を紹介 直噴型は粉末の供給が安定するのが特徴 図直噴型レーサ - コーティンク 技術の概要 図 M-LMD ツール 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 7

(3) エンジニアリング 環境にやさしいレーザ洗浄技術 東成エレクトロビームレーザ出力 38W 70Wの空冷方式の可搬型レーザクリーニング装置を紹介 消費電力は 70W 出力機が消費電力 530Wで1 時間使用して 電気代は10 円と安い 図に示すように レーザ洗浄しきい値があり 金属さびでは母材を削ることなく さびを除去できるレーザ強度がある ( レーザ強度 30) Zn めっき鋼板のレーザ重ね溶接技術の開発 日産自動車 Zn めっき鋼板のレーザ重ねリモート溶接をする際に 溶接欠陥なく溶接するために板間を 0.07mm 以上設ける必要 ( 亜鉛ガスを逃がす ) があり その突起を形成させる方法として 表面より 適正な強度のレーザをあて 裏面に突起をつけるもの レーザ洗浄しきい値イメージ 図レーザ照射強度による除去イメージ 図 突起形成原理 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 8

(4) 展示会技術情報 レーザ加工機の先端技術と最新製品の市場動向調査報告 フォトフ レインシ ャハ ン 2016~2017 年に開催されたレーザ加工関連の展示会の内容を発表 対象は 1IMTS2016( アメリカ / シカゴ ) 2JIMTOF2016( 日本 / 東京 ) 3Photonics West2017( アメリカ /SF) 4Photonics China2017( 中国 / 上海 ) 5Photonics2017( ドイツ / ミュンヘン ) それぞれの展示会での注目点は以下のとおり 1 レーザ旋盤 : 精密加工化 メディカル ( ステント ) 用需要大 3D プリンター : ワークサイズ大型化 製造時間短縮化 ピコ フェムト秒レーザ搭載の微細加工機 システム増加 CVD 自然ダイヤ サファイヤガラス等の加工 LMD: 加工システム PR レーザ旋盤 Citizen-CincomL20 2 レーザ切断機 :8KW パワーで切断性能アップ 無酸素切断 トルンプ 三菱電機 マーキング装置 : ファナックの CNC30i( ミリンク / 旋盤 ) にレーザマーキング装置 超高速制御 8KW テ ィスクレーサ ー TruLaser 5030 fiber 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 9

3 USP( 超短パルス ) レーザ : 工具 & 医療用部品のマーキング用 DDL レーザ :Teradiode 社 ( ハ ナソニック子会社 ) 新商品 4KW で 100μm 8KW で 150μm ファイバー伝送可能 高ヒ ーム品質 中空ファイバー :GLOPhotonics 社の USP レーザ光を伝送できる中空ファイバー Green 光も伝送可能となった Teradiode 社 4KW 発振器 4 ハンドレーザクリーニング装置 : 中国メーカー大族社が注力 小型ハ ルス FL で 20W 50W( 約 400 万円 ) 大型 200~500W マーキング装置 : 中国メーカー RAYCUS 社が注力 数十 W クラスで中国 No.1 5 IPG 社高出力 FL:100KW を 120KW に世界最大出力を更新 (> 効率 40%) ブルーレーザ :450nm の LD の高出力化進展 銅溶接用 LaserLine 社 /500W(600μm) Nuburu 社 /150W(200μm) [DDL+FL] 複合レーザ機 :LaserLine 社から DDL 出力 16KW FL 出力 4KW の複合レーザ装置を展示 ブレージング用に DDL 切断やリモート溶接用に FL 高品質溶接用に DDL+FL が適する IPG 社社 120KW 発振器 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 10

溶接学会秋季全国大会 (H29 年 9 月 ) (1) 高張力鋼板のリモート溶接 高炭素薄鋼板のレーザ貫通溶接で発生する割れに関する研究 自動車組立にレーザ溶接による高張力鋼板への適用が検討 高張力鋼板のレーザ溶接時に発生するクレータ- 割れ防止に ガルバノスキャナでスピン軌跡ビードとするとよい 神戸製鋼所 自動車用高張力鋼板のレーザ溶接におけるはく離強度評価 JFEスチール自動車車体 ( ト ア ) に1000MPa 級高張力鋼板の使用において 接合部の最適化のため より接合線自由度の高いリモートレーザ溶接の適用が期待 溶接線形状によって 異なる強度を示すため 溶接線の検討が必要と判明 (2) 異材接合 レーザ溶接によるAl 合金とMg 合金による異材接合 大阪大学 Znインサートを用い レーザ照射位置をAl 側にオフセットすれば 良好なビード外観と 高い接合強度が得られた レーザによるチタンと鉄の異材接合に関する研究 産総研 Crインサートを用いて 接合部に金属間化合物が生じない組織にすることで高い接合強度が得られた 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 11

(3) レーザ切断技術 CFRP 材のハイブリッドレーザ加工に関する研究 最新レーザ技術研究センター CFRP のレーザ切断は熱影響部が残り 良好な切断は容易でない 今回 500W/CW シングルモードファイバーレーザと 150W/YAG ナノ秒パルスレーザをハイブリッド化 ( ビームの中心が CW 外側がパルス ) した加工システムで 1mm 厚 CFRP において HAZ のない良好な切断ができた アシストガスをチッソとしている CFRP ハイフ リット レーサ 加工切断面 X 線透過装置による厚鋼板のレーザ切断フロントのリアルタイム観察 三重大学 X 線透過装置を用い 厚鋼板のレーザ切断フロントの直接リアルタイム観察を行った結果 切断速度が増加する ( 単位長あたりの入熱が減少 ) と切断フロント下部の遅れが増加し レーザ出力が増加する ( 単位長あたりの入熱が増加 ) とその遅れが減少すると判明 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 12

名古屋レーサ フォーラム 2017(H29 年 11 月 ) (1) ハ ルスレーサ ク ラインテ ィンク (PLG)~ レーザによる切削工具刃先成型 ~ 名古屋工業大学 PLG により硬脆工具 (cbn CVD ダイヤモンドコート ) の切れ刃成形により 研削と同等な 仕上げ鏡面を切削で作り出せた 切れ味がよいと工具の欠けも少ない 1 焼入れ鋼軸部品を PLG 加工の cbn 工具で 研削仕上げ 旋削のみで製造可能化 2 金型磨きレス加工が PLG/CVD DLC コーティング工具でできた 市販 cbn 工具刃先 PLG で仕上げた cbn 工具刃先 研削仕上げ工具 PLG 仕上げ工具 写真焼入れ鋼の仕上げ面を刃先鋭利化 cbn で加工 写真刃先鋭利化の状況 (SEM) 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 13

(2) Evolution of diode laser and their future( 半導体レーザの進化と未来 ) レーザライン半導体レーザの主要メーカーであるLaserline 社 ( 社員 300 名 ) は設立 20 周年となった この 20 年間の驚異的な半導体レーザの開発 発展を 最新のレーザアプリケーションで紹介 1 半導体レーザの寿命は4 万時間以上となり 5 年保証をしている 2ハイパワーとなり キーホール溶接も可能となった この10 年で20KW 100KWに拡大 3ハイブリッド ( レーザ +MIG/MAG) も可能 LMD 3Dプリントにも適用可能 4ウルトラハイスピードLMD(>100m/ 分 ) を開発 ( フラウンフォーファー ) 粉にエネルキ ーを与える方法 Crメッキ代替可能 これでは表面性状の改善のためリメルトする 5 大面積 高速レーザ焼入れの大きな進展 6ドイツPJでは500W 青色 DLを進めている 2007 2017 図ハイハ ワー 高ヒ ーム品質化図超高速 LMD( ハイスヒ ート 薄肉高品質層 少粉末消費 ) 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 14

NADEX Private Show2017 (H29 年 11 月 ) 講演 3 件の聴講とレーザ実演 展示を調査 [ 講演 ] (1) レーザ溶接における品質保証 ナ デックスレーザ加工におけるインプロセスモニタリングと適応制御技術センシング センサー利用モニタリング技術が幅広く示された (2) ファイバレーザ技術について フジクラ 8KW 迄製造するフジクラのファイバーレーザについての技術解説 FL 関連の基幹部品 接続技術 熱処理技術を全て保有する世界唯一のメーカ (3) 100kW ファイバーレーザ溶接の研究 ナ デックス IPG 社製 100KW/FL での取組み内容 ( 溶接性 チャンハ ー内雰囲気制御 ヒ ート 整形工法 ) を説明 レーザ溶接時の溶融池のビード湯流れをリアルタイム観察 [ 実演 展示 ] 1 雰囲気制御 ( 低真空チャンハ ー内 ) によるアルミ材の低スパッタ溶接 2 インプロセス キーホール深さ測定装置 3QCW 発振器によるアルミ重ね溶接 4100kW レーサ による加工サンフ ル フェムト秒レーサ よる微細加工サンフ ル展示 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 15

展示会 (2017 レーザ加工技術展 )(H29 年 4 月 ) (1) マツモト機械 マツモト産業ホットワイヤを適用した パイプ材 ( 約 300 mm径 ) に対する黄銅材の肉盛り実演 ワイヤの供給とシールドガスの供給はレーザ進行方向後ろ側からで シールドガスはノズルを複数縦方向に並べて 進行方向後ろ側のシールド効果を上げる工夫 (2) ナ デックス減圧雰囲気でのレーザ溶接による ポロシティの削減や溶込み深さの確保 レーザ干渉計による溶込み深さのオンライン計測事例を発表 (3) アマダホールディングスレーザ切断において 対象の板厚に応じてビームモードを替えるビーム制御ユニットを伝送用光ファイバーの前段に設けて 厚さに応じた適正ビームモードを得る工夫 薄板用 : ガウシアンモード 厚板用 : 凹型リングモード ( 最近は各社このような傾向 ) (4) 古河電子国産のファイバーレーザとして 4KW 機 6KW 機を展示 ビームパターンを任意に制御するための DOE 素子 (Diffractive Optical Element) の展示 9KW 出力のレーザビーム迄対応 (5) タマリ工業 6 軸レーザ切断加工装置の展示 立体形状部品の複雑形状切断加工の実演 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 16

展示会 ( 関西高機能材料 WEEK2017)(H29 年 9 月 ) 接合関連の技術セミナーと接着接合 EXPO を見学 興味を引いた展示等を以下に示す [ 技術セミナー ] 自動車のマルチマテリアル化に向けた接合技術 日産自動車 日産では環境問題対応で車体軽量化 ( 構造合理化 ハイテン アルミ 樹脂の順 ) に取組 欧州では高級車 ( アウディ BMW ベンツ ) にマルチマテリアル車体 (CFRP 含む ) が採用 北米車はアルミが多く 日本車では高級スポーツ車レクサス GTR NSX が対象である マルチマテリアル化は異材接合技術がホ イント 機械的接合 レーサ 接着技術を検討中 ダイセルポリマーの DLAMP サンアローの LST が金属 / 樹脂接合で注目 金属 / 樹脂接合では FSW レーザを利用 金属の表面状態 樹脂官能基が重要 [ 展示会 ] (1) 山陽特殊製鋼金属粉末事業に注力していることが判るような大規模展示 3D プリンタ用に注力 3D 用粉末は 50μm 以下と小さい 粉体肉盛用は 100μm 程度 (2) ナックイメージテクノロジーレーザ溶接状況を可視化する高速度カメラ & 映像を展示 (3) ナイスレーザロウ付けされた鉄 /Al 接合部品を展示 Al は溶解 鉄は溶解なしとのこと 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 17

展示会 (InterOPto2017)(H29 年 10 月 ) レーザ関連の技術セミナー聴講と展示会を見学 興味を引いた展示等を以下に示す [ 技術セミナー ] (1) 産業用レーザ市場の現状と将来展望 矢野経済研究所 ファイバー ディスク CO2 など個別レーザ装置について出荷台数 金額の推移を 2016 年 ~ 2020 年まで予想 FL の高出力化が伸びを支えている CO2 は低下しているが 海外に比べ国内は低下率が小さい マーカー向けがフ ラス成長 ディスクは 2016 年 (120 台 ) 2020 年 (280 台 ) の予想 今後は発振器の高性能化とレーザシステムによる IoT ソリューションがキーになる (2) p 秒 f 秒へ 超短ハ ルス化が進む産業用精密微細レーザー加工 スペクトラフィジックス (3) レーザ加工技術クロスミーティング 1 各種センサーを備えた TRUMPF の最新レーザ加工技術 トルンプリアルタイム溶接深さモニター :MAX 測定深さ 8mm 参照面との干渉による測定 2 コヒレント _ ロフィンの熱加工用途向けレーザシステムのご紹介 ロフィンバーゼル ARM 技術 : 内外 2 重ファイハ ーによる強度分布制御 最近 ARM 技術の PR が活発 3 半導体レーザを用いた光整形技術によるレーザ加工への適用 丸文 3 点ビーム : レーザライン社も亜鉛メッキ鋼板ゼロギャップ溶接用として 3 点ビームを開発 主ビームは矩形 先行ビームは円形 レーザ加工技術は最近 レーザ光そのものを制御して加工する方向に向いている 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 18

[ 展示会 ] (1) ディスコ社 KABRA 技術 :SiC ウエハの製造技術 インゴットの上面からレーザ光を照射し スライスする レーザ照射により応力集中箇所をつくり 外部刺激によりスライスする SiC には適用可能だが Si は不可 ワイヤソーに比べて約 1.5 倍の枚数が取れる (2) アマダ :IoT の一例として レーザによる切断面を写真に撮ると切断面の状態から最適な加工条件が提示されるシステム (3) 丸文社レーザ加工フィードバック装置 : 焼入れ加工における温度 肉盛加工における溶融池サイズを CCD カメラ画像により取得してフィードバック ( フラウンホーファ IWS) 放射温度計による測定値からレーザ加工へのフィードバック ( 独 Dr.Mergenthaler) をパネル展示 (4) 日本レーザ社レーザクリーニング装置 : 高出力 (1.2~3.2KW:1,000 万円以上 ) から低出力 (50W;500 万円 ) まで 3 機種をパネル展示 引き合い活発とのこと (5)OPI 社中国製 FL: 中国製 FL を取扱い 安価 保証は OPI 社 ( 日本 ) が実施 (6) 住友電工社ビーム整形技術 : シングルモード FL であれば DOE (Diffractive Optical Element) 設計が可能 マルチモードは不可 加工ヘッドに非球面レンズの採用が増加 軽量化 & 集光点の強度分布のエッジがシャープ 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 19

< 丸文レーザ加工フィードバック装置 > フラウンホーファ IWS Dr.Mergenthaler 社 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 20

< 住友電工ビーム整形光学部品 > 1000 万円以上 700 万円 500 万円 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 21

展示会 ( 関西ものづくりワールド 2017)(H29 年 10 月 ) 主として表面処理 改質フェアを見学 興味を引いた展示を以下に示す (1) 日本アイ ティ エフ金属へのコーティング専門会社 DLC 膜付がニーズ大とのことで その中で高硬度水素フリー DLC の薄膜コートを PR (2) トーカロ多孔質コーティングを PR 減圧プラズマ溶射法の医療部品 ( 人工関節等 ) への適用を事業化中 また 10KW の LMD 装置を保有しているとのこと (3) 大阪富士工業尼崎市にレーザ プラズマ接合研究所をつくり 表面改質の研究開発を実施 LMD を用いた新幹線ブレーキディスクへの肉盛を展示し 実用化に向け注力中 (4) 新日本溶業各種表面改質 (Quick Tip 肉盛等 ) を PR. 粉末肉盛についてはステライトに炭化物を入れる ( 50wt%) 事業も実施中 内部欠陥は UT を用いるとの回答 (5) 大興製作所母材を傷つけない 30W/YAG パルスレーザクリーニング機を紹介 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 22

展示会 (2017 国際ロボット展 )(H29 年 11 月 ) (1) ダイヘン : 世界最高レベルの高精度ロボットを用いたレーザ加工システム 位置繰り返し精度 ±0.07mm 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 23

(2) 安川電機 : ガルバノスキャナー搭載レーザ溶接ロボット ( リモート溶接システム ) リモート溶接システム 高速 高精度高機能溶接 レーザ : ファイバーレーザ YAG レーザ最大出力 :~6kW 集光スポット径 :600μm ( 特徴 ) YED 製リモート溶接ヘッドを搭載したロボットがガルバノを継続動作させながらオン ザ フライ制御で高速 / 高精度溶接を実現します ( 応用 ) 自動車 / 自動車部品の溶接 鋼板溶接 / 切断 テーラード ブランク溶接 ( 出典 Y-E DATA HP) 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 24

まとめと今後の方向 (1) レーザ加工技術は 将来の我が国のものづくりを支えるキーテクノロジー技術である (2) レーザ加工技術の特長である 精密性 制御性は 必要な所に必要な部材を取り入れるという マルチマテリアル の動きと連動して スマート加工を実現させるものとなる (3) 今後とも レーザ加工に関する人材養成とともに 新しい事業開拓を進める必要がある AMPI はレーザ関係者の一層の事業拡大に貢献いたします ご清聴ありがとうございました 2018.1.16 ものづくり技術におけるレーザ加工への期待 25