工学系

2017年10月24日

研究成果のポイント

・高輝度青色半導体レーザー※1,※2を搭載したSelective LaserMelting(SLM)方式3Dプリンタ※3を開発
・従来の近赤外線レーザーを用いた3Dプリンタに比べ溶融現象の制御が容易
・電気自動車等の産業に必要な加工部品への適用に期待

概要

大阪大学接合科学研究所の塚本雅裕教授らの研究グループは、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)プロジェクト※4において、世界で初めて、青色半導体レーザーの高輝度化により純銅を積層造形できる3Dプリンタを開発しました。

本成果により、これまでレーザーを用いては溶融が困難であった高電気伝導性と高熱伝導性を有する純銅の積層造形が可能となり、航空・宇宙・電気自動車等の産業に必要な加工部品への応用が期待できます。

本技術については、2017年10月22日(日)から26日(木)まで米国アトランタで開催される国際会議「The International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics(ICALEO)」での発表と、2018年1月30日(火)から2月1日(木)まで米国サンフランシスコで開催される国際展示会「Photonics West 2018」での公開を予定しています。

研究の背景と研究成果

3Dプリンタを用いた積層造形技術は、他の加工法では作れない複雑な形状の造形、多様化する顧客ニーズに対応した究極の少量多品種生産の実現等、ものづくりに革命を起こす潜在能力を持ち、さまざまな分野における実用化が期待されています。特に、純銅素材の製造・加工については航空・宇宙・電気自動車等の多くの産業から期待されている一方で、近赤外線レーザーを用いた従来の3Dプリンタでは純銅素材の溶融などに課題がありました。

そこで大阪大学接合科学研究所の塚本雅裕教授らの研究グループは、NEDOプロジェクトにおいて、(株)島津製作所と共同で、日亜化学工業(株)と(株)村谷機械製作所の協力を受け、世界で初めて、青色半導体レーザーの高輝度化により純銅を積層造形できる3Dプリンタを実現しました。

まず、純銅粉末を溶融させるために必要なパワー密度を得ることができる出力100Wの高輝度青色半導体レーザーを開発しました。波長450nmの青色半導体レーザー光を、コア径が100μmの光ファイバーから出力することで、直径100mのスポットに容易に集光することが可能となります。出力100W時の直径100μmのスポットにおけるパワー密度は、1.3×106W/cm2となり、純銅粉末を溶融させるのに十分なパワー密度を実現できました。

そして、この高輝度青色半導体レーザーの集光ヘッドを図1のように配置したシステムを図2の筐体内に収めたSLM方式3Dプリンタを開発しました。この3Dプリンタにより、純銅の積層造形(図3)に成功しました。この3Dプリンタは、ガルバノミラー※5を使用せず、図1に示した集光ヘッドを直接稼働させる構造にすることで、低コスト化を実現しています。

図1 高輝度青色半導体レーザー搭載SLM方式積層造形技術

図2 高輝度青色半導体レーザー搭載
SLM方式3Dプリンタ

図3 純銅の3Dプリンティングのサンプル

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

本研究成果により、純銅をはじめとする従来の近赤外線レーザーを用いた3Dプリンタでは困難であった材料の積層造形など、航空・宇宙・電気自動車等の産業に必要な加工部品への応用が期待されます。また、SLM方式は、Laser Metal Deposition(LMD)方式3Dプリンタ※6よりも造形精度が高いので、複雑な構造の流路を持った純銅ヒートシンク創製等への応用も期待されます。

特記事項

本技術については、2017年10月22日(日)から26日(木)まで米国アトランタで開催される国際会議「TheInternational Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics(ICALEO)」での発表と、2018年1月30日(火)から2月1日(木)まで米国サンフランシスコのモスコーニセンターで開催される国際展示会「Photonics West2018」での公開を予定しています。

用語説明

※1 青色半導体レーザー
波長400nm~460nmの範囲の青色光を発振する半導体レーザー。

※2 青色半導体レーザーの高輝度化
コア径100μmの光ファイバーに青色半導体レーザーデバイスからの出力光を空間・偏光結合することによって高輝度化を実現。

※3 SLM(Selective Laser Melting)方式3Dプリンタ
Additive Manufacturing(3Dプリンタ)の方式の一つ。金属粉末を敷き詰めた後、選択的にレーザーを照射し、加熱、溶融、凝固させた後、金属粉末を再度敷き詰める。これを繰り返すことによって3次元造形物を製造する方法。

※4 新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)プロジェクト
高輝度・高効率次世代レーザー技術開発/次世代レーザー及び加工の共通基盤技術開発/レーザー加工プラットフォームの構築/高輝度青色半導体レーザー及び加工技術の開発(2016年度~2020年度)

※5 ガルバノミラー
レーザーの照射位置を制御するために用いられるミラー。

※6 LMD(Laser Metal Deposition)方式3Dプリンタ
Additive Manufacturing(3Dプリンタ)の方式の一つ。金属粉末をレーザーの照射領域へ供給することで金属粉末は加熱、溶融、凝固される。これを繰り返すことによって3次元造形物を製造する方法。

参考URL

大阪大学 接合科学研究所 加工プロセス学分野
http://www.jwri.osaka-u.ac.jp/~uhed/index.html

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