FraunhoferIWS水中でのレーザ切断にグリーンレーザ利用

September, 15, 2023, Dresden--FraunhoferIWS材料・ビーム技術研究所は、レーザを水中で特に効率的で環境に優しく、省エネの切削工具として使用するための技術的アプローチを発見した。

水面下で鉄鋼や金属の切断するために、FraunhoferIWSは、特に、水中でも切断能力がある短波長の緑色レーザを使用する。同時に、水は、結果として生じる溶融物を圧力で切り口から追い出すためのツールとして役立つ。これにより、電力損失、余分なガスライン、およびその他の欠点が排除される。実験室では、これはすでに機能している。9月に開催される「Schweißen & Schneiden」見本市でFraunhoferIWSは、革新的なプロセスを発表し、産業界パートナーとともに、それをアプリケーションの成熟に進める。レーザによる金属切断は、根本的に新しいアプローチではない。ただし、通常は乾燥した環境で行う。赤外線または他のかなり長波のレーザ放射で金属を切断する。ビームと同軸で、補助ガスがプロセス中の溶融金属を除去する。海ではさまざまな条件が広がる:水は長波光をあらゆる方向に散乱させる。その結果、レーザ出力の大部分は短い距離の後に消散する。補助ガスには複雑な配管システムも必要になる。

水中切断の鍵となるkW級緑色レーザ
これらの欠点は、FraunhoferIWSによる新規ソリューションによって解消される。ドレスデンのエンジニアは、今日のほとんどの産業用レーザよりもはるかに短い波長の緑色レーザを使用している。ただし、これは、必要な切断力を達成するために、1kWを超えるクラスの緑色レーザが利用可能になったために可能になっただけである。将来的には、青色レーザを備えたより短波長のバージョンが考えられる。このような短波レーザは、大きな損失なしに水にも浸透するため、水域でも使用できる。海で豊富に利用できるこの媒体は、ドライ環境で必要な切削ガスを置き換えになる:これにより、ガスパイプラインが不要になる。さらなる利点として、ガスおよび空気などのガス混合物は、実際の用途で使用される前に特定のポイントまで圧縮できる。一方、水はほとんど圧縮できない。したがって、切削媒体として、より少ない力と時間の損失で界面の溶融残渣を除去する。

より少ないエネルギー損失とより多くの電力
ノコギリ、自動鋸ワイヤー、プラズマカッターを使用した今日の一般的な切断方法と比較して、水中レーザ切断はいくつかの利点を達成すると見られている。 「このプロセスは必要なエネルギーが比較的少なく、電力伝達はより効率的である」と、FraunhoferIWSのレーザ切断グループ長、プロジェクトリーダー、Dr. Patrick Herwigは強調している。同氏は、このアプローチにより、レーザアタッチメントを備えた特にコンパクトな水中ロボットの構築も可能になると付け加えている。これらは、今日の自動鋸引き機よりも小さく効率的に実装できるため、以前はアクセスが困難だった水中構造物の領域に、より簡単に到達可能となる。たとえば、鋸引きとは異なり、解体チームは将来の切断レーザに新しいブレードやその他の消耗品を継続的にロードする必要はない。さらに、このようなシステムは、廃棄物を発生させたり、有害物質を大気中に放出したりしない。この利点は、古い原子力発電所を破壊するときに特に重要である。そこでも、鋼部品を最初に水中で解体しなければならないことがよくある。ここで切削ガスを使用すると、放射性廃棄物が気泡とともに水面に到達する可能性がある。レーザ水中切断はこの問題も解消する。

水:敵の代わりに味方に
FraunhoferIWS所長、Christoph Leyens教授は、この革新的技術の経済的・社会的関連性について、「地球の70%は水で構成されている。将来的には、人類は環境に優しいエネルギー源を開発および拡大するために、これらのオフショア埋蔵量をますます使用する必要がある。レーザ切断ソリューションのような新しい水中製造技術が必要になる。これまで、水は「敵」と見なされてきた。われわれはそれを逆転させ、それを「友人」として理解している」と話している。
次のステップでは、研究者はラボスケールで実証済みのコンセプトをさらに実用的に適用可能なシステムに発展させたいと考えている。FraunhoferIWSは、レーザ技術、システムおよび分析技術、および完全なシステムの設計に関する専門知識を提供している。科学者は現在、具体的なアプリケーションシナリオ、経験、課題の概要を説明し、実質的な技術開発に伴う産業パートナーを探している。