■レーザー技術
1. ファイバーレーザとビーム形成
2. 長波長
■新しい素材のコンビネーション
3. 溶接合成物
4. ハブリッド接合
■新しいアプリケーション分野
5. 織物のレーザー溶着
6. パッケージングのレーザー溶着
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このカタログについて
| ドキュメント名 | 【レーザー技術】トレンドな産業と新しい アプリケーション分野 |
|---|---|
| ドキュメント種別 | 製品カタログ |
| ファイルサイズ | 2.8Mb |
| 登録カテゴリ | |
| 取り扱い企業 | 株式会社ライスター・テクノロジーズ (この企業の取り扱いカタログ一覧) |
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製品カタログ
株式会社ライスター・テクノロジーズ
このカタログの内容
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トレンドな産業と新しい
アプリケーション分野
株式会社
ライスター･テクノロジーズ
Leister Technologies AG, BU Laser Plastic Welding
Dr. Ulrich Gubler, 2014
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《レーザー技術》
1. ファイバーレーザとビーム形成
2. 長波長
《新しい素材のコンビネーション》
3. 溶接合成物
4. ハブリッド接合
《新しいアプリケーション分野》
5. 織物のレーザー溶着
6. パッケージングのレーザー溶着
Leister Technologies AG, BU Laser Plastic Welding
Dr. Ulrich Gubler, 2014
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1. ファイバーレーザーとビーム形状
ファイバーレーザーは微細なスポット…..でもガウシアンビーム
ファイバーレーザ
•光はファイバー内で形成･増幅され、ファイバーで電送されます
非常に高品質なビーム
非常に小さな集光径 (数十mm)
•異なる周波数1070 nm (ダイオードレーザ9xx nm) だが、ほとんど
のプラスチック溶着用途に問題無い
•しかしながら: ビーム形成はガウシアンでセンターがピーク
ビーム外側で最適溶着時にセンターは樹脂が劣化
(ダイオードレーザ: トップハット形状, 理想: Mシェープ)
I(x,y) I(x,y) I(x,y)
x,y x,y x,y
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1. ファイバーレーザとビーム形成
レーザープラスチック溶着にとって理想のビーム形成: Mシェープ
理想: レーザービームの溶着巾に対し 積分強度プロファイル強度プロファイル
て均一なレーザーエ
ネルギー
スキャナー
光学系
コリメートされた
レーザービーム
f-θfレ-θンズレンズ
溶着面
x
y
トップハットビーム
(x,y) スキャン方向に対して
積分強度プロファイル
Daniel Vogler Page 4 7/3/2018
Mシェープ トップハット ガウシアン
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1. ファイバーレーザーとビーム成形
DOEによるビーム成形: 基礎となるスポットの集合体
ファイバーレーザーの構成 DOE ビーム成形の構成
回折オプティカル
焦点面のファイバーコア像 焦点面の個々の
エレメント(DOE)
ビームプロファイル
ファイバー
コリメーション 焦点レンズ
レンズ
ファイバーレーザーソース
トップハットの分布 M-シェープの分布 M-シェープの分布
直径1 mm 直径1 mm 直径0.5 mm
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1.ファイバーレーザーとビーム成形
DOEビーム成形による溶着テスト
出力 トップハットプロファイル Mシェープビームプロファイル
500 mm/s
Mシェープビームはトップハットビームと比べて、より幅広い条
件で溶着出来、且つコンスタントな溶着シーム幅を確保できる
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1.ファイバーレーザーとビーム成形
ファイバー連結式LDの場合のDOEビーム成形は？
レーザー溶着用ファイバーレーザーの構成
焦点面ではっきり区別できる
ビームプロファイル
焦点面のファイバーコア像
ファイバー 50 um
コリメーション 焦点レンズ
レンズ
ファイバーレーザーソース すばらしいMシェーププ
ロファイル
レーザー溶着用ダイオードレーザーの構成
焦点面のビームプロファイル
焦点面のファイバーコア像
ファイバー 700 um
コリメーション 焦点レンズ
レンズ
ぼやけたプロファイル
ダイオードレーザーソース (スポットサイズ700 um以上)
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2. 長波長
着色の代わりにポリマー自身の吸収を利用
フラウンホーファー学会が手がけた興味深いアイデア:
•倍音振動バンドがある赤外波長(1.5-2.1 mm)領域でのポリマ
ーの本質的な吸収を利用 着色は必要なし!
•透明同士のワークの溶着
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2. 長波長
着色せずにポリマー自身の吸収を利用
しかしながら、実際様々な課題や問題点が存在
• 溶着シーム近辺だけではなくポリマー全体が吸収
従って、より多くのレーザー出力が必要
若しくはよりゆっくりと溶着
ワークピースの表面が発火の恐れ
• 溶着シーム近辺のみ溶融するために溶着シームに
対してレーザービームをシビアに集光
精度の良い高さ調整が必要
結晶性樹脂はレーザー光の散乱により難しい
• 低出力で長波長のLDはかなり高価
• 1.5 mm若しくは1.9 mmのファーバーレーザーは高価、且つ上図のよう
な集光は難しい
ライスター: 今後の状況を注視、製品のラインアップは無し
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3. 複合材の溶着
熱硬化性から熱可塑性に移行するアプリケーションとは?
• 航空宇宙産業から自動車やその他の産業に取り入れられる軽量化
の流れ
• 金属からプラスチックに…: おそらく溶着が必須
• 金属から複合材に…: それが熱硬化か熱可塑か？
-現在主流は熱硬化性 接着剤若しくはネジ止め等
-熱可塑性なら:接合やプリプレグのラミネートでレーザー溶着の可能性
• カーボンファイバーはレーザーを良く吸収、グラスファイバーは
レーザー光を透過するが散乱もある
- ファイバー周辺の薄いポリマー層のみ
• 検討課題: - 溶着でファイバー構造にダメージを与えない
超音波溶着や振動溶着と比較してレーザーはメカ的ス
トレスを与えない
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3. 複合材の溶着
レーザーでプリプレグを巻いて固定
•熱可塑性ポリマー重合体(PEEK, PA, PP, …)のカーボンファイ
バープリプレグを筒状に巻きます
•巻き加工中にレーザーでプリプレグ層を固定
熱処理は必要なし
•ラインレーザーを ラインビーム
巻き付け部に照射
パイロメータ
MF Tech社とコラボレーション
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4. ハイブリッド接合
異素材同士のメカ的ジョイント
• 最適なデザインのためには、場合によって異素材を接合する必要が
ある
• 既存の接合方法
-メカ的接合 (ネジ, リベット, …)
-接着剤
-射出成形
1. 溶着ではない接合:
ポリマー上から金属にレーザー照射
金属がレーザーを吸収して加熱
物理的な密着によりポリマーも加熱
ポリマーが溶融
金属の表面にポリマーが溶け込む
ポリマーが冷却されて固まる
• 表面の構造物に粘着力とメカ的固定で固着
Fraunhofer ILT
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4. ハイブリッド接合
金属の表面構造が非常に重要
• より耐久性のある接合についての重要なトピック:
金属の表面構造-出来ればくり抜くような構造
• 金属部品のタイプやサイズによってより高出力のレーザーが必要
• 多くの未決問題:
-異なるパターンによるメカ的強度 (引っ張り, 剪断, 剥離)
-熱ストレステストによる接合部の耐久力
-接合部がリークしないか？
• ライスター: ノウハウの構築、問い合わせ増大
(ヨーロッパプロジェクトYBRIDIOに参加)
Fraunhofer ILT
patent application US2012/0063115A1 by Apple Inc.
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4. ハイブリッド接合
ヨーロッパプロジェクトYBRIDIO（異種材料接合技術）
• ポリマーと複合ラミネートを含む金属のようなハイブリッド構造
を作り出す2つ以上の異なるタイプの材料を接合する、革新的で信
頼できる新しい熱接合技術の開発
• 構造物および成分の特性の改善、各材料の特性の組み合わせおよ
び補完
• 製造コストを削減するための工業プラントおよびプロセスの簡素
化
• IRおよびNIRカメラに基づいた特定の制御システムを作成して、製
造プロセス中のコンポーネントの品質を保証する
• リサイクルと環境への影響：容易に分離できる熱を再度加えるこ
とによって、熱可塑性金属接合部を容易に解体することができま
す
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5. 繊維のレーザー溶着
溶着なので縫い目なし
• 縫い針なしで繊維を接合 穴が開かない, ソフトタッチ
•もっとも人工的なファイバーは熱可塑性ポリマー製
(ポリアミド = ナイロン, ポリエステル, ポリエチレン, …)
• 熱風、ホットメルトや超音波ソーイングマシンの最新技術
• レーザー溶着の長所:
-エネルギーは、繊維の表面にダメージを与えずに溶着層に到達
-更にもっと薄い通気性のある膜もダメージなしに溶着が可能
• レーザー繊維溶着のチャレンジ:
-従来と異なる繊維製造のサプライチェーン
-柔らかい大きな素材のハンドリング
-柔らかい感触を保持したままの溶着
-一般的にはレーザーに対して透過性-見た目
に黒くても（染料で着色）
-繊維製造の新しいデザインルール
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5. 繊維のレーザー溶着
プラスチック及び繊維産業のバリューチェーンでの着色
: 着色剤,
laser process
プラスチック産業
添加剤, …
ポリマーの マスターバッチを 射出
組立
製造 混ぜる 成型
レジン 着色 プラスチック 製品,
ペレット ペレット 部品 モジュール, …
繊維産業:
ラミネート
ポリマーの ファブリックの 着色 最終製品の紡績
製造 製造 リファイン 製造
レジン 糸 ファブリック 染色した
ペレット 単一/多重 ファブリック
紡績の前に糸を着色
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5. 繊維のレーザー溶着
レーザー溶着対レーザー誘導接合
レーザー溶着: : レーザー接合:両方に必要
• 下の部材でレーザーを吸収 • 素材にエネルギー照射 • レーザーエネルギーで
• 上部透過部材はレーザーに • 素材同士の接触と加圧 接着剤を活性化
影響されない • 混ざり冷却する時間 • 上部・下部素材共レー
• 物理的な接触で上部素材に ザーを透過して影響さ
熱伝導 れない
• 局所的溶融ゾーン • 局所的なエネルギー溶
• 着メカ的な動きや負荷がない
• • 異素材の接合が可能同じポリマー同士若しくは
互換性のあるポリマー: • ナチュラルファイバー
-同様の溶融温度 の接合が可能
-科学的に混合可能 (熱可塑性樹脂ではない)
• テープ状の接合素材が
必須
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5. 繊維のレーザー溶着
繊維素材に最適: GLOBO ヘッド
• ボール若しくはローラーレンズがレーザービームを集光し同時に
加圧
• 一方向にのみ駆動: Globoローラー
• 3次元（自在）に駆動: エアーベアリング付Globoボール
• 大きなワークに対応可能
• レーザーソースからファイバーで
Globoヘッドへ
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5. 繊維のレーザー溶着
システムにGloboを搭載して様々な可能性
• 裁断テーブルに搭載して大きな
2次元部品を溶着
• ソーイングマシンを改造して搭載
• スペシャルマシンにGloboを搭載
• ライスターのWS-ATやTTSに
Schips社のソーイングマシン
EMPA社による
2次元テーブル
Heimbach社による
スペシャルマシン
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5. 繊維のレーザー溶着
自身のファイバーを溶融
• 下部材若しくは内側の素材がレーザーを吸収
• 生地のファイバーが部分的に溶融
• 他の素材は必要なし
• 外側に溶着痕が若干あり
• 検討課題: レーザー吸収性ファイバーが必要
レーザービーム
GLOBOボール
加圧
生地 1 透過性
生地 2 吸収性
機械のベースプレート
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