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【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

製品カタログ

■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
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株式会社ライスター・テクノロジーズ

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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 Page 3 03.07.2018
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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 Page 5 03.07.2018
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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 Page 6 03.07.2018
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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) Page 7 7/3/2018
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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 Page 8 │ ugu / 7/3/2018
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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 Page 9 │ ugu / 7/3/2018
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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 Page 10 │ ugu / 7/3/2018
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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 Page 11 │ ugu / 7/3/2018
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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 Page 12 │ ugu / 7/3/2018
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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. Page 13 │ ugu / 7/3/2018
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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 Page 14 03.07.2018
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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 Page 15 │ ugu / 7/3/2018
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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 Page 16 7/3/2018
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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 Page 17 7/3/2018
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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 Page 18 7/3/2018
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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 Page 19 7/3/2018
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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 Page 20 7/3/2018