大阪大、世界初、青色半導体レーザーの高輝度化により純銅を積層造形できる3Dプリンターを開発
NEDOプロジェクトで大阪大学は、世界で初めて、青色半導体レーザーの高輝度化により純銅を積層造形できる3Dプリンターを開発した。
この成果により、これまでレーザーを用いては溶融が困難であった高電気伝導性と高熱伝導性を有する純銅の積層造形が可能となり、航空・宇宙・電気自動車等の産業で必要な加工部品への応用が期待できる。
この技術については、2017年10月22日から26日まで米国アトランタで開催される国際会議「The International Congress on Applications of Lasers &Electro-Optics（ICALEO）」での発表と、2018年1月30日から2月1日まで米国サンフランシスコで開催される国際展示会「Photonics West 2018」での公開を予定している。
概要
3Dプリンターを用いた積層造形技術は、他の加工法では作れない複雑な形状の造形、多様化する顧客ニーズに対応した究極の少量多品種生産の実現等、ものづくりに革命を起こす潜在能力を持ち、さまざまな分野における実用化が期待されている。
特に、純銅素材の製造・加工については、航空・宇宙・電気自動車等の多くの産業から期待されている一方で、近赤外線レーザーを用いた従来の3Dプリンターでは純銅素材の溶融などに課題があった。
そこで、NEDOプロジェクトで、大阪大学接合科学研究所の塚本雅裕教授らの研究グループは島津製作所と共同で、日亜化学工業と村谷機械製作所の協力を受け、世界で初めて、青色半導体レーザーの高輝度化により純銅を積層造形できる3Dプリンターを実現した。
まず、純銅粉末を溶融させるために必要なパワー密度を得ることができる出力100Wの高輝度青色半導体レーザーを開発した。波長450nmの青色半導体レーザー光を、コア径が100μmの光ファイバーから出力することで、直径100μmのスポットに容易に集光することが可能となる。出力100W時の直径100μmのスポットにおけるレーザー光のパワー密度は、1.3×106W／cm2となり、純銅粉末を溶融させるのに十分なパワー密度を実現できた。
そして、この高輝度青色半導体レーザーの集光ヘッドを図1のように配置したシステムを図2の筐体内に収めたSLM（Selective Laser Melting）方式3Dプリンターを開発した。
SLM方式3Dプリンターとは、Additive Manufacturing （3Dプリンター）の方式のひとつ。金属粉末を敷き詰めた後、選択的にレーザーを照射し、加熱、溶融、凝固させた後、金属粉末を再度敷き詰める。これを繰り返すことによって3次元造形物を製造する方法である。
この3Dプリンターにより、純銅の積層造形（図3）に成功しました。この3Dプリンターは、ガルバノミラーを使用せず、図1に示した集光ヘッドを直接稼働させる構造にすることで、低コスト化を実現している。
この成果により、従来の近赤外線レーザーを用いた3Dプリンターでは困難であった純銅をはじめとする材料の積層造形など、航空・宇宙・電気自動車等の産業に必要な加工部品への応用が期待される。
また、SLM方式3Dプリンターは、LMD（Laser Metal Deposition）方式3Dプリンターよりも造形精度が高いので、複雑な構造の流路を持った純銅ヒートシンク等への応用も期待される。
（LMD方式3Dプリンターとは、Additive Manufacturing （3Dプリンタ）の方式のひとつ。金属粉末をレーザーの照射領域へ供給することで金属粉末は加熱、溶融、凝固される。これを繰り返すことによって3次元造形物を製造する方法）
この技術については、2017年10月22日から26日まで米国アトランタで開催される国際会議「The International Congress on Applications of Lasers &Electro-Optics（ICALEO）」での発表と、2018年1月30日から2月1日まで米国サンフランシスコのモスコーニセンターで開催される国際展示会「Photonics West 2018」での公開を予定している。