産業用青色レーザ、金属加工の課題解決に向けたマイルストーンを達成
マシュー・フィルポット

第 2 世代の青色レーザシステムは、新しい製造手法を採用することにより、よりコンパクトで、信頼性が高く、処理に応じてスケーラブルな、ガルバノスキャナ対応のレーザシステムとなっている。
半導体レーザダイオード技術に基づく第 1 世代の産業用青色レーザが初め

2D ガルバノスキャナシステムでの使用が可能である（図 1 ）。て発 表 されたのは、2017 年 である。

この飛躍的進歩は、はるかに小さな

これらのレーザはその後、主に銅とアスポット径と発散角を持つレーザビーム

ルミニウムの溶接や 3D プリントなどを生成する、高度な製造プロセスに基の用途に対して、赤外（ IR ）レーザよりづいている。溶接や 3D プリントといっも吸収率が高いというメリットを発揮た反射性金属の加工において、レーザし、確立されることとなった。しかし、ビームは一般的に、その輝度、すなわ多くの材料加工ソリューションに用いち ビーム パ ラ メータ 積（ Beam Para­

られる産業用 2D ガルバノスキャナシ

meter Product：BPP ）で特徴づけられステムで使用するには、輝度が足りなる。BPP は、（ビームウエストで測定さかった。米ヌブル社（ NUBURU ）が発れた）
ビーム半径とビーム発散半角の積

BPP で提供されており、第 1 世代のレ表した第 2 世代の産業用青色レーザは、として定義される。第 2 世代の 450nmーザモジュールと比べて出力はほぼ 2

これらのレーザの設計と製造におけるの青色レーザモジュールは現在、125 ま倍、BPP は 3 倍に向上している。第 2

飛躍的進歩を達成しており、産業用

たは 250W の出力と 5mm*mrad 未満の世代はさらに、よりコンパクトで信頼

図２ 第 2 世代レーザモジュール（モデル BL ）性が高く、出力がスケーラブルになる
図１ ヌブル社の第 2 世代レーザの自動 製 造 が行 われる
クリーンルームように設計されている。
最も重要な点は、産業用スキャンシステムへの組み込みに十分なレベルの輝度が達成されていて、さまざまな用途において同技術をさらに広範に利用するための扉が開かれたことである。

画期的な製造手法
ヌブル社の第 1 世代のレーザシステム
では、モジュールのバックプレーン上に手作業で組み立てられてプレパッケージされた、半導体レーザダイオードのリニアアレイが使用されていた。個々のレーザダイオードの光は、高速軸と低10 Industrial Laser Solutions Japan October 2023

表 第1世代／第 2 世代の製造技術と性能の比較
モジュール世代

12（自由空間）2（ファイバデリバリ）

発表年

2017

2023

2023

レーザダイオードパッケージ

マルチレーザパッケージ

チップオンサブマウント（ COS ）チップオンサブマウント（ COS ）モジュール駆動方式

シリアル／パラレル

個別

個別

レーザダイオードのポジショニング

プレパッケージ状態で提供

自動

自動

レーザダイオードの光学部品配置方法

ピックアンドプレースの半手動自動

自動モジュールおよびレーザ出力

150W

125 または 250W125 または 250W

デリバリ方法

ファイバ

自由空間

ファイバ

ビームパラメータ積（ BPP ）

15mm*mrad<5mm*mrad<5mm*mrad

モジュール体積

6950cc

732cc

732cc

スキャナ互換性

なし

あり

あり

スキャナ接続N/A

直接

QBH コネクタを介してファイバ端に速軸のレンズによって、コリメートされる。このプロセスによって、150Wの出力と 15mm*mrad の BPP を持つレーザモジュールが製造されていた。
第 2 世代の製造プロセスは、製造、性能、サイズ、信頼性を著しく改善する。その概要は表のとおりである。
第 1 世代とは、レーザデバイスレベ
ルで既に異なっている。第 1 世代シス
テムでは、プレパッケージのレーザダイオードリニアアレイが使用されていたのに対し、第 2 世代システムには、個別のレーザデバイスがチップオンサブマウント（ COS ）構成で搭載されている。個別のレーザデバイスを採用することには、リニアレーザアレイを駆動する代わりに、個々のレーザを個別に図３BL レーザと、産業用スキャナとの自由空間結合用のビームエキスパンダー

October 2023 Industrial Laser Solutions Japan

11われる。つまり、光出力をアクティブに監視して、各レンズの位置と回転が、

900
800
侵入深さ〔μm〕700

合計ビーム性能に対して最適化される。

同一速度における侵入深さの差：1.6倍

この自動アシストのポジショニングと600

レンズ配置が、第 2 世代モジュールの500400

BPP が向上した主要要因である。

同一侵入深さに対する速度の差：3〜4倍

300
200

メリット

100
5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

速度〔m/min〕
出力：500W BPP：30mm*mrad

図４

出力：500W BPP：15mm*mrad

純銅の溶接速度と侵入深さに対する BPP の影響

新しい COS ベース設計は、大幅な改善をもたらす。おそらく最も印象的なのは、その輝度、すなわち、BPP 性能である。溶接や 3D プリントの用途
では、出力を加工対象物におけるビーム面積で割った値で定義される、出力駆動できるというメリットがある。リピックアンドプレース装置を使って、密度を最適化することが重要である。

ニアアレイの場合は、1 つのダイオー各デバイスがよりタイトな構成で配置

加工対象物におけるビーム径は、そのドが故障するとアレイ全体が機能を停される。このより精密な位置合わせが、発 散（ BPP ）に直 接 的 に関 係 するが、止し、レーザ出力が顕著に低下する恐合計輝度の維持に役立つ。

ビーム発散の最適化には、その労力を次のステップは、マイクロレンズを上回る価値がある。なぜなら出力密度レーザが故障しても光出力の低下は最各レーザダイオードに取り付けることでは、出力に比例して増加するが、BPP小限となる。これは、システム全体のある。これらのレンズは、非常に非対に対しては 2 のべき乗で増加するため信頼性に対してもメリットとなる。

称のレーザ出力プロファイルを受け取である。従って、第 1 世代に対する第第 1 世代のレーザアレイでは、ポジって、コリメートされたビームプロファ

2 世代の出力の増加は著しいが（ 150Wショニングとパッケージングはあらかイルを生成する。第 1 世代モジュールから 250W ）、BPP の改善はそれ以上じめ定められており、アレイは駆動バ

では、その配置と固定が半手動で行わに素晴らしい（ 15 から 5mm*mrad ）。

ックプレーン上に手作業で配置されてれていた。第 2 世代モジュールでは、ロ第 2 世代の製造プロセスにより、レいた。第 2 世代モジュールでは、自動ボットによって動的に配置と固定が行ーザモジュールのサイズもはるかにコれがある。一方、新設計では、1 つのンパクトになる。これを可能にするのは、レーザダイオードの高密度な配置と集光マイクロレンズのタイトな統合における柔軟性である。第 2 世代レーザモジュールの体積は、第 1 世代モジュールの約 10 分の 1 である。
新しいプロセスには、レーザの信頼性を高める効果もある。クラス 1000のクリーンルームにおけるサブコンポーネントの前処理と取り扱いの個々のステップを制御することにより、一貫した汚染制御が適用される。ロボットによるアセンブリは、人為的なミスの
図５ 商用粉末床 3D プリンター内部に統合されたレーザモジュール、ビームエキスパンダー、スキャナ

12 Industrial Laser Solutions Japan October 2023

可能性を減らし、より一貫した製造プロセスにつながる。最も重要な点は、

ロボティクスによって、スケーラブルで再現可能なプロセスが実現されて、生産能力が高まることである。
7x自由空間構成
青色レーザを使ったさまざまな材料加工製品がこれまでに開発されているが、そのすべてに溶接レンズとその他3xのビームデリバリが搭載されている。
産業用 2D スキャンシステムに結合できる青色レーザシステムは存在しなかった。新しい第 2 世代モジュールは、

銅これを可能にするレベルの輝度を達成している。また、サイズがコンパクト

図６

ステンレス鋼

1.5x

1.5x

銅合金

チタン

向性エネルギー堆積法（ DED ）試験で測定された造形速度（単位：cc/hr ）であるため、最大 250W のスキャナに直接結合することが可能である（図 2）。

しい可能性がある。ここで重要なのは、は速くなり、完成品の品質は高くなる。

図 3 は、これを行う方法を示してい

BPP によって溶接の速度と浸透深さが

図 5 は、商用 3D プリンター（粉末床）る。産業用スキャナに求められるスポ決まることである。BPPが小さいほど、の中で、レーザモジュールがビームエット径は最大 30mm である。これは、溶接の速度は高く、浸透深さは深くなキスパンダーを介してスキャナに統合レーザモジュールのスポット径よりもる。BPP が 5mm*mrad の自 由 空 間 結されている様子を示している。

はるかに大きいため、所望のスポット合スキャナシステムについても、同様径を生成するために、ビームエキスパのデータを現在作成中である。

ンダーアセンブリが提供されている。
このモジュール／エキスパンダーアセ

IR レーザもこの用途に対して以前から使われているが、青色レーザは、溶接と同じメリットを、レーザアシスト

3D プリントの積層造形にも提供する。ヌブル社は3D プリントは、青色レーザが商用最近、DED に対して IR ファイバレー利用されているもう 1 つの分野である。

ザを BL シリーズの青色レーザに置き換

BPP が小さくなったことで、スキャ金属の 3D プリントは、粉末床溶融結え、2 つの技術による結果を同一条件ンシステムが使用できるようになった

合法（ Powder Bed Fusion：PBF ）、指下で比較した。最も重要な指標であるだけでなく、溶接性能も大幅に向上す

向性エネルギー堆積法（ Direct Energy

造形速度（単位：cc/hour ）で、その結る。図 4 は、BPP 値が異なる、2 つのDeposition：DED）、ワイヤ供給溶融結果を定量化した（図 6 ）。造形速度は IR

500W のファイバ結合青色レーザを比合法（ Wire Fed Fusion：WFF ）など、レーザと比べて、銅の場合で 7 倍、ス較したものである。青色のデータは複数の方法で行うことができる。これ

テンレス鋼で 3 倍、チタンで 1.5 倍高

BPP 値が 30mm*mrad の場合、赤色のらの方法は、細部はそれぞれ異なるも速だった。

データは 15mm*mrad の場合を示してのの、金属が溶ける（溶融するほど軟第 1 世代と比べて、輝度は 3 倍、出いる。このデータから、BPP 値が 2 倍らかくなる）まで加熱する必要がある

力は 2 倍になったことで、性能は大幅になると、さまざまな固定速度におけのはすべて同じである。溶接の場合とに向上している。その結果として、レる材料への浸透深さは 1.6 倍になり、同様に、その目的は、ビームから金属ーザ溶接とレーザアシスト積層造形を同じ浸透深さが得られる速度は 3 〜 4にエネルギーを転送することである。

対象とした産業用スキャンシステムと倍になることがわかる。金属の溶融とそのプロセスの効率が高いほど、速度の新たな統合が可能になっている。

ンブリが今回初めて、スキャンシステムに直接接続可能となった。

フローをより正確に制御するには、浸透深さが深い方が望ましく、コストを削減するには、速度が高いほうが望ま

著者紹介
マシュー・フィルポット（ Matthew Philpott ）は、米ヌブル社（ NUBURU ）の最高マーケティングおよびセールス責任者。e-mail: matthew.philpott@nuburu.net URL: www.nuburu.netILSJ
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