USPレーザ、一回のクランプ操作で硬質材料部品を構造化，研磨する

October, 27, 2025, Aachen--硬い材料やタングステンカーバイドなどのセラミックで作られた工具は、特に耐摩耗性がある。ただし、それらを製造するために使用されるツールは、ツールがレーザ光でない限り、より早く摩耗する。FraunhoferILTの研究者は、クランプ設定を変更することなく、超短パルス(USP)レーザを使用して硬質材料コンポーネントを成形および研磨できるプロセスチェーンを開発した。

セラミック硬質材料で作られたドリル、フライスヘッド、ローラー、さらにはパンチインサートは、ワークピースに食い込むだけでなく、大幅に長持ちする。しかし、生産時に非常に耐久性のあるものと同じ耐摩耗性が、製造時の大きな課題になる。成形や仕上げに使用される工具は、混合超硬超硬金属、サーメット、セラミックを割りにくいナットであり、機械的加工方法を使用すると摩耗率もそれに応じて高くなる。

USPレーザは、機械プロセスが限界に達した場所で機能する
これは超短レーザパルスとは異なる。20〜40Ｗの出力を持つ市販のUSPレーザでも、工具製造に使用される硬い材料を効率的に除去できる。材料は、わずか数ピコ秒続く高エネルギーパルスが表面に当たったところで蒸発する。これはMHz範囲の周波数で発生するため、レーザ材料のアブレーションは毎分最大100cm²の表面速度に達する。しかし、USP加工の可能性は、材料を気化させることによる成形に限定されない。アーヘンのFraunhoferレーザ技術研究所ILTの研究チームは、同じUSPレーザがアブレーションによって形成および構造化するだけでなく、その後工具表面を研磨するプロセスチェーンを開発した。「USPレーザは、様々な加工ステップを実行するために使用する万能ツールである。時には同じクランプ操作で」と、FraunhoferILTの3D構造アブレーションのチームリーダーSönke Vogelは、透明材料の構造化のチームリーダーAstrid Saßmannshausenとともにプロセスを推進してきた。

プロセスステップをリンクする鍵は、レーザのパラメータ化にある。材料は高いパルスエネルギーと低い繰り返し率でアブレーションされるが、研磨の場合はその逆。USPレーザは、最大50MHzのパルス周波数でワークピースの表面にエネルギーを導入し、このエネルギーが蓄積され、上部の0.2〜2.0µmのみを溶かす。材料は気化しないが、溶融膜を形成し、表面張力によって滑らかになり、冷却すると固化する。表面特性は、プロセス制御を介して制御することもできる。「たとえば、USPレーザ研磨では、巨視的な構造を維持しながら微細な凹凸を滑らかにすることができる」とSaßmannshausenは説明している。さらに、レーザプロセスにより、複雑な3D表面をマイクロメートルの精度で研磨することが可能になる。特定の領域を選択的に処理して、表面特性を局所的に調整したり、必要なゾーンのみを仕上げたりできるため、プロセスの時間を節約できる。したがって、USP研磨は、さらに高い精度と局所的な制御を可能にすることで、既存のレーザマクロおよびマイクロ研磨方法を補完する。

工業用硬質材料加工の効率的なプロセス
プロセス要件に応じて、レーザ研磨は毎分10〜100cm²の表面速度を達成し、これは前の材料アブレーションの表面速度とほぼ同等である。「同じクランプ操作でレーザと両方のプロセスを組み合わせることで、企業は既存のUSPレーザでサービスの範囲を拡大したり、新規購入の償却を大幅に加速したりできる」(Saßmannshausen)。

しかし、何よりも、硬い材料を加工するための機械プロセスを置き換えるのに適しており、製造に伴う膨大な工具摩耗に終止符を打つことができる。これにより、コストが削減されるだけでなく、実際には資源とエネルギーの効率が特に向上する。SaßmannshausenとVogelによると、プロセスの組み合わせの可能性はまだ使い果たされていない。より高速なポリゴンスキャナ、より高いレーザ出力、および拡大されたレーザスポットにより、表面速度を大幅に向上させることができる。関心のある業界パートナーは、FraunhoferILT研究チームと一緒に最適化ステップに取り組むよう招待されている。