金属加工

複雑形状からマーキングまで：新たな可能性を拓くフェムト秒レーザー加工

フェムト秒レーザーは、金属に複雑な形状や微細構造を形成可能です。さらに、化学添加物を用いることなく、黒色/白色マーキングはもちろん、多様な色での発色も可能です。

主な特長

・複雑形状加工
・微細構造形成
・黒色/白色マーキング
・化学添加物フリーの発色

• MHzバースト・フェムト秒レーザー加工でスループットを飛躍的に改善（アルミニウム、銅、ステンレス鋼）
  
  フェムト秒レーザー加工は高い加工精度を有する一方で、加工速度が課題となりますが、最も効率的に加工できるパルス条件にレーザを設定することで加工時間を飛躍的に改善できます。MHzバーストが最も有効な手段となります。
  MHzバースト：加工速度向上を実現するキーテクノロジー
  
• 各種金属の加工
  
  材料への熱の影響が小さいフェムト秒パルスレーザー加工はバリの発生がなく、高精度な金属加工が可能です。特に金属箔の精密加工は、他の方法では不可能とされます。フェムト秒レーザーは様々な金属材料の精密加工が可能です。
  
  
  
  
  
   
• 金属のカラーマーキング
  
  金属へのマーキングはレーザー加工の最も重要なアプリケーションの1つです。フェムト秒レーザーを使って金属表面に微細構造を作ると、光をほとんど反射できなくなります。この技術を使うと金属表面に高コントラストの黒色マーキングを施すことが可能です。高いコントラストと、高い環境耐性を持ちます。レーザーを使って金属表面に酸化物層を形成すると、層の厚さに応じて、さまざまな色を発色させることができます。
  
   
• 金属表面の微細加工
  
  材料にフェムト秒パルスを照射して、金属表面に特殊な構造を作ることで、材料に新しい機能を付加できます。照射するフェムト秒レーザパルスの強度を材料のアブレーション閾値にすると、レーザー誘起周期表面構造（LIPSS）が形成されます。LIPSSは光の吸収特性、濡れ特性、摩擦特性を変化させるだけでなく、抗菌特性を持たせることが可能です。
  
  
  
• Nitinol stentの切断
  
  フェムト秒レーザーは、医療で使われる重要なディバイスの一つであるNitinol stentを高精度に切断できます。材料に熱の影響を与えないフェムト秒レーザーパルスは、バリのない滑らかな切断面を実現します。フェムト秒レーザーの高い加工品質は、人体の中で正確に機能するために緻密に設計されたNitinol stentの製造の製造に必要不可欠です。
  

MHzバースト・フェムト秒レーザー加工でスループットを飛躍的に改善（アルミニウム、銅、ステンレス鋼）

MHzバーストモードによる金属の高速加工（アルミニウム、銅、ステンレス）

フェムト秒レーザー加工は高い加工精度を有する一方で、加工速度が課題となりますが、最も効率的に加工できるパルス条件にレーザを設定することで加工時間を飛躍的に改善できます。その最適化にMHzバーストが最も有効な手段となります。

フェムト秒加工におけるスループットの課題

フェムト秒レーザー加工は高い加工精度を有する一方で、その加工速度の遅さが問題視されています。最も効率的に加工できるパルス条件にレーザを設定することで、加工時間の問題を改善できますが、高出力のフェムト秒レーザーを使用した場合、加工速度と加工品質を両立できる条件に設定することは容易ではありません。
単純に高出力のフェムト秒パルスで加工速度を上げようとすると、繰り返し周波数を上げることになります。

ですが結果的に材料に照射されるエネルギーの総量が増えるため、材料に熱が蓄積されてしまい加工の品質低下を招きます。

MHzバーストモードによる解決策

MHzバーストモードは、高エネルギーパルスを複数のサブパルスに分割することで、材料に照射されるエネルギーの総量は変えずに加工に最適なパルス条件を実現します。特に金属において、単一パルスモードと比較して材料加工効率が向上し、同時に高い加工品質を実現させます。

FemtoLux 30による加工事例

FemtoLux 30レーザーを用いたA. Žemaitis et al.による研究では、アルミニウム、銅、ステンレス鋼の加工において最適条件が報告されています。彼らはパルスの繰り返し周波数とMHzバースト内のパルス数を変化させて1つの材料に110個の空洞を切削加工しました。MHzバーストモードを使用することで加工時間の短縮と高い加工精度、小さな表面粗さの加工が可能であることを確認しています。

特に、アルミニウム、銅、ステンレス鋼において、MHzバーストを使うと単一パルスによる加工に比べて切削効率がそれぞれアルミニウム18%、銅44.5%、ステンレス37%向上しました。

MHzバーストによる各種金属サンプルの処理結果

素材	除去効率	除去速度	表面粗さ	バーストパルス数
アルミニウム	7.0 µm3/µJ	9.2mm3/min	1.7 µm	10
銅	4.2 µm3/µJ	5.6mm3/min	2 µm	5
スチール	3.9μm3/μJ	5.1mm3/min	1.7 µmの場合	10

文献： “The ultrafast burst laser ablation of metals: Speed and quality come together”
A. Žemaitis, U. Gudauskytė, S. Steponavičiūtė, P. Gečys, and M. Gedvilas, Optics & Laser Technology 180, 111458 (2024). DOI: 10.1016/j.optlastec.2024.111458.

各種金属の加工

フェムト秒レーザの超短パルスは材料への熱の影響が非常に小さいため、バリのない高精度な金属加工が可能です。特に金属箔の微細加工は、従来の加工方法では不可欠とされています。フェムト秒レーザを使うと、金属薄膜に複雑な加工を施すことが可能です。

FemtoLux 30は、ステンレス鋼、銅、コバールを含むさまざまな金属の切断において数多くの実績があります。それぞれの材料に最適な加工パラメータをFemtoLux 30にセットすることで、高品質の加工結果が得られます