高解像度レーザー表面処理技術

レーザー表面処理とは、レーザー光により材料の表面を加熱、溶融、凍結させることにより、材料の表面特性を変化させる技術です。 大気や真空などの環境下での加工が可能で、非接触加工やワークの変形が少ないなどのメリットがあります。

表面処理の目的に応じて、レーザー表面処理は表面改質処理と除去処理に分けられます。 このうち表面改質処理には、レーザーグレージング、レーザーリメルティング、レーザーアロイ、レーザーコーティングなどが含まれます。 除去治療とは主にレーザー洗浄を指します。

レーザー表面処理技術は、自動車、航空宇宙、エレクトロニクス、機械などの産業で広く使用されています。 たとえば、自動車製造では、レーザー表面処理を使用して、エンジン部品の耐摩耗性と耐食性を向上させることができます。航空宇宙分野では、レーザー表面処理を使用して航空機コンポーネントの表面特性を改善し、疲労寿命と信頼性を向上させることができます。

レーザー表面処理 レーザービームを使用してワークピースを迅速かつ局所的に加熱し、局所的な緊急加熱または冷却を実現し、材料の表面特性を変更する方法です。 表面処理の目的に応じて、レーザー表面処理は表面改質処理と除去処理に分けられます。

レーザー表面改質処理は、レーザー走査プロセス中に材料自体の組織構造を変更したり、他の材料を導入したりすることにより、ワークピースの表面性能を向上させるものであり、この技術はワークピースの表面を選択的に処理することができ、これは有益ですワーク全体および表面の十分な靭性と強度を維持し、耐摩耗性、耐食性、耐疲労性、耐酸化性などの高度かつ特定の性能を得ることができます。 一般的なレーザー表面改質技術には、レーザー グレージング、レーザー再溶解、レーザー合金化、レーザー コーティングなどがあります。

レーザー除去処理とは、主にレーザー洗浄を指します。レーザー光を使用して処理表面の汚染層に吸収させ、大きなエネルギーを吸収して急速に膨張するプラズマを形成し、衝撃波を発生させます。衝撃波により汚染物質が破片となって除去されます。 従来の洗浄方法と比較して、レーザー洗浄には非接触、高効率、環境汚染の軽減などの利点があります。

レーザー表面処理技術の処理効果は主に以下の要因に影響されます。：

1.レーザーパラメータ

• レーザー出力: 出力サイズはエネルギー入力に直接影響し、出力が高いほど加熱効果がより強くなり、より深い加工深さとより重大な組織変化につながる可能性があります。
• レーザーの波長: レーザーの波長が異なると材料の吸収能力と透過能力が異なり、治療効果に影響します。
• パルス幅と周波数: パルス幅が短いとより微細な処理が可能になり、周波数が高いと処理効率が向上します。

2.スキャン速度

スキャン速度は各位置でのレーザーの作用時間を決定します。速度が速すぎると不適切な処理が発生する可能性があり、速度が遅すぎると過度の加熱や熱影響ゾーンの拡大が発生する可能性があります。

3.スポットサイズ

スポット サイズはエネルギー分布の集中に影響し、スポットが小さいほど、より正確な局所処理が可能になります。

4.材質特性

• 材料の組成: さまざまな元素の含有量と種類は、材料のレーザーに対する吸収と反応に影響します。
• 粒子サイズや相組成などの元の微細構造状態は、処理後の相転移や微細構造の進化に影響を与えます。

5.治療環境

これには、処理プロセス中の酸化、窒化、その他の化学反応に影響を与える雰囲気（真空、不活性ガス、酸化性ガスなど）や温度が含まれます。

6.重複率

複数の走査処理では、隣接する走査トラック間の重なりの程度が処理の均一性と連続性に影響します。

7.補助工程

治療過程でのブローガスの添加、磁場や電場の印加、その他の補助手段も治療効果に影響します。

レーザー表面処理技術の処理効果を最大限に高めるには次のような方法があります。：

1. レーザーパラメータの正確な制御

• 広範な実験とシミュレーションを実行して、特定の材料や処理要件に最適なレーザー出力、波長、パルス幅、周波数、スキャン速度などのパラメーターを決定します。
• 高度なレーザー機器を使用して、より細かいパラメータ調整と安定性を実現します。

2. スポットの品質と形状を最適化する

• 高品質の光学部品を使用して、スポットの均一性と焦点精度を確保します。
• 処理要件に応じて、円形、長方形、その他の特定の形状など、適切なスポット形状を選択します。

3. スキャンポリシーを改善する

• 均一な処理効果を達成するために、スパイラルスキャン、パラレルスキャンなどの合理的なスキャン経路計画を採用します。
• 結合速度を調整して、処理領域の連続性と一貫性を確保します。

4. 材料の前処理

• 材料を洗浄し、酸化層を除去し、その他の前処理を行うことで、材料表面のレーザー吸収率と処理の均一性が向上します。

5. 処理環境を制御する

• 処理の目的に応じて、真空、不活性ガス保護、特定の反応性ガスなど、適切な雰囲気環境が選択されます。
• 処理プロセス中の温度は、冷却装置または予熱手段によって制御します。

6. 補助プロセスを組み込む

• 窒素、アルゴンなどのブローガスの導入。 スラグを除去し、化学反応を制御するのに役立ちます。
• 磁場または電場を適用して、レーザーと材料の間の相互作用プロセスに影響を与えます。

7. リアルタイムのモニタリングとフィードバック

• 赤外線温度測定、光学イメージングなどのオンライン監視技術を使用して、処理プロセスにおける温度、形態、その他のパラメーターをリアルタイムで監視します。
• モニタリング結果に応じて、レーザーパラメータとプロセスをタイムリーに調整して、閉ループ制御を実現します。

8. 複数工程の組み合わせ

• レーザー表面処理と電気めっき、化学熱処理などの他の表面処理技術を組み合わせることで、それぞれの利点を発揮し、より優れた性能を得ることができます。

9. 材料の開発と選択

• レーザー加工適応性に優れた新しい材料を開発および選択するか、既存の材料の組成および組織構造を最適化します。

10. プロセスシミュレーションとシミュレーション

• コンピューター シミュレーションとシミュレーション ソフトウェアを使用して、レーザー表面処理プロセスを予測および最適化し、実験の数を減らし、コストを削減します。

レーザー表面処理技術の処理効果の評価は以下の観点から行うことができます。：

1. 表面形態と粗さ

• 光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（SEM）を使用して表面の微細な形態を観察し、平坦かどうか、亀裂や気孔などの欠陥がないかどうかを確認します。
• 表面粗さを粗さ計で測定し、処理面の平滑性を評価します。

2. 硬度と強度

• ロックウェル硬度、ビッカース硬度などの硬度試験方法を使用して、処理された表面の硬度値を測定し、硬度の向上の程度を決定します。
• 引張、圧縮、その他の機械的特性試験を実行して、材料の強度変化を評価します。

3. 耐摩耗性

• 摩擦摩耗試験機を使用して摩耗試験を実施し、処理前後の材料の耐摩耗性を比較しました。

4. 耐食性

• 表面処理後の材料の耐食性を塩水噴霧試験、電気化学腐食試験などにより評価します。

5. 残留ストレス

• X線回折法などを用いて表面や内部の残留応力分布を測定し、処理による材料の応力状態への影響を把握します。

6. 塗膜密着強度

• レーザーコーティングなどのプロセスでは、基材へのコーティングの接着強度がテストされます。 スクラッチテスト。

7. 微細構造解析

• 金属顕微鏡、後方散乱電子回折 (EBSD) およびその他の手段を使用して、粒子サイズ、相組成、その他の変化などの処理後の微細構造を分析します。

8. 化学組成

• エネルギー分散分析 (EDS)、X 線光電子分光法 (XPS)、およびその他の方法を使用して、表面元素の組成と分布を決定します。

上記の側面を評価することで、レーザー表面処理技術の処理効果を総合的かつ正確に判断することができ、プロセスをさらに最適化するための基礎を提供します。

レーザー表面処理技術に適した材質は以下の通りです：

1. 金属材料：

鋼: 炭素鋼、合金鋼などが含まれ、硬度、耐摩耗性、耐食性を向上させるためによく使用されます。

• アルミニウムおよびアルミニウム合金：表面硬度、耐摩耗性、耐食性を向上させることができます。
• チタンおよびチタン合金：表面強度と耐食性を高め、航空宇宙およびその他の分野に適しています。
• 銅および銅合金：導電性向上、耐摩耗性向上など。

2. セラミック材料: アルミナ、ジルコニアなどは、レーザー処理によって靭性と表面品質が向上します。

3. ポリマー材料: ポリカーボネート、ポリエチレンなどは、表面硬度、耐摩耗性、接着特性を向上させることができます。

4. 複合材料: 炭素繊維強化複合材料 (CFRP) など、表面結合特性と耐摩耗性を向上させることができます。

5. 超硬合金: 工具や金型の製造によく使用され、レーザー処理により耐用年数を延ばすことができます。

6. 金型鋼: Cr12MoV など、金型の表面品質と寿命を向上させるためのレーザー表面処理後の鋼。

レーザー表面処理技術の加工効率を向上させるには次のような方法があります。：

1. レーザー機器の最適化

• 単位時間あたりのエネルギー出力を増やすには、高出力と高繰り返し周波数のレーザー源を選択します。
• 光学系をアップグレードし、レーザー光の品質と伝送効率を向上させます。

2. マルチビーム技術

• 複数のレーザービームによる同時加工により、加工面積と速度が大幅に向上します。

3. スキャンシステムを改善する

• 高速スキャン検流計またはより高度なスキャン デバイスを使用して、スキャン速度と精度を向上させます。

4. スキャンパスを適切に計画する

• 最適なスキャンパスを設計して、無効な移動や重複領域を減らし、処理効率を向上させます。

5. 自動化とインテリジェント制御

• ロボット工学を組み合わせてクランプ、位置決め、取り扱いを自動化し、手動介入時間を短縮します。
• インテリジェントな制御システムを使用して、材料の特性や取り扱い要件に応じてレーザーパラメータをリアルタイムに調整します。

6. 並列処理

• 量産ワークの場合は、複数のワークを同時に加工できます。

7. 予熱処理

• ワークピースは適切に予熱され、レーザー加工中のエネルギー消費と時間を削減します。

8. プロセスパラメータの最適化

• 広範な実験とシミュレーションを通じて、最高の処理効率を達成するためのレーザー出力、スキャン速度、パルス周波数、その他のプロセスパラメータの最適な組み合わせを決定します。

9. 材料の前処理

• レーザーの吸収効率や治療効果を高めるために、事前に材料の表面洗浄や酸化層除去などの前処理を行います。

10. 冷却システムの最適化

• 効率的な冷却システムを確保し、ワークピースの過熱を防ぎ、処理速度を向上させます。

11. 新しい治療プロセスの開発

• 超高速レーザー処理など、より効率的なレーザー表面処理プロセスの研究と応用。

1. 自動車産業 

レーザー硬化技術は、ギア、シャフト表面、ガイド、ジョー、金型など、自動車産業の脆弱な部品の表面強化に適用されて成功しています。 レーザー焼入れにより、これらの部品の表面硬度と耐摩耗性が向上し、寿命が大幅に延長され、焼入れ前後のワークの変形はほとんど無視できるため、特に高精度が要求される部品に適しています。

2. 金型産業

金型の製造においては、レーザー表面処理技術を利用することで金型の表面性能を向上させることができます。 たとえば、レーザークラッド技術を使用して摩耗した金型を修復し、表面の硬度と耐久性を向上させることができます。レーザー焼入れにより、金型表面の硬度と耐疲労性が向上し、使用中の金型の摩耗や変形が軽減されます。

3. 航空宇宙分野

レーザー衝撃強化技術は、航空宇宙部品の耐疲労性、耐摩耗性、耐食性を向上させるためによく使用されます。 この技術は、強力なレーザービームによって生成されるプラズマ衝撃波を使用して、コンポーネントの表面に深い圧縮応力を生成し、それによってコンポーネントの耐用年数を延ばします。 同時に、レーザーアニーリング技術を使用して、半導体プロセスにおける材料のマトリックス構造の調整、硬度の低下、結晶粒の微細化、内部応力の除去などを行うことができ、集積回路の集積度を向上させることができます。

4. 文化財保護

レーザー洗浄技術は、文化財の洗浄に優れた応用効果をもたらします。 文化財にダメージを与えることなく、文化財の表面の汚れ、錆、塗装などを除去します。 たとえば、一部の古代の金属遺物、石の彫刻、壁画などは、レーザー洗浄によって元の外観に戻すことができます。

5. 平角線モーターの製造

レーザービームのエネルギーを正確に制御することにより、平坦銅線の酸化層をレーザー除去する技術は、平坦銅線の表面酸化層を迅速かつ効率的に除去することができ、銅線自体にはほとんどダメージを与えません。 この技術はモーターの導電性を回復・改善するだけでなく、生産効率を向上させ、環境汚染や材料の無駄を削減します。 新エネルギー自動車や産業オートメーションの分野において、この技術で処理された平角線モーターは、導電性と熱安定性が向上し、信頼性と寿命も向上します。

6. 骨インプラント

韓国科学技術研究院が開発したナノ秒レーザー表面処理技術を利用して、人工骨コーティングの形成を誘導することができます。 この技術により、人工骨コーティングの原料を別途合成する必要がなく、ナノ秒レーザーを用いてコーティングを形成することができ、得られるハイドロキシアパタイトコーティングは高いコーティング強度を有する。 例えば、チタニアベースの骨固定装置に適用すると、骨伝導特性が強化され、コーティングの生体適合性、骨形成能力、骨伝導性が向上し、新しい方法は従来のコーティング材料の3倍のコーティング結合を形成できます。金属だけでなく高分子材料の表面にも皮膜を形成できます。

7. チタン表面処理

韓国電気研究院は、チタンのフェムト秒レーザー表面処理を使用して、チタン本来の特性を改善するだけでなく、機能的な表面を作成することもできます。 フェムト秒レーザー治療後の親水性チタン材料は、人体との親和性が高く、人骨との安定した融合が得られる歯科用インプラントとして作製できるため、患者さんの治療サイクルを大幅に短縮できます。 疎水化処理後のチタン素材は、生体内移植用の医療機器として作製することができ、患者の異物反応の軽減に役立ちます。

レーザー表面処理技術は、レーザー光によって材料の表面特性を変化させる高度な技術であり、高精度、局所的な加工、変形の少なさなど多くの利点を持っています。 加工効果は、レーザーパラメータ、スキャン速度、スポットサイズ、材料特性、加工環境、その他の要因の影響を受けます。 治療効果を最適化するには、レーザーパラメータの正確な制御、スポットおよびスキャン戦略の改善、補助技術とリアルタイムモニタリングフィードバックの組み合わせなど、多くの側面から治療を開始できます。 この技術は、金属、セラミック、ポリマー、複合材料、その他の材料に適しています。 表面形態、硬度、耐摩耗性、耐食性などさまざまな角度から処理効果を評価できます。 加工効率を向上させる手法としては、レーザー装置の最適化、マルチビームや高度な走査システムの利用、走査経路の計画、自動制御の実現などが挙げられます。 自動車、金型、航空宇宙、文化財保護など多くの分野で導入事例があり、製品の性能や品質の向上に重要な役割を果たしています。 今後もレーザー表面処理技術は、精度、効率、知能などの面でさらなる発展を遂げ、より幅広い応用分野の拡大が期待されています。

お問い合わせ