「待てよ、レーザー肉盛加工機なんて、金属専用だろう？」と思ったことがある人はいるだろう。あなたは一人ではありません。レーザー被覆機械のサプライヤーである私は、この質問をよく受けますが、正直なところ?私も何年も前まではその考えに賛成していました。しかし、問題はここにあります。非金属材料の表面改質は、この技術が密かに爆発的に普及している分野であり、それはもはや産業用パイプラインや重鉱部品のためだけではありません。今日は、何が可能なのか、注意すべき落とし穴、そしてなぜ非金属用途が実際に当社のレーザー クラッディング システムのようなシステムの最も魅力的な用途の一部であるのかを詳しく説明したいと思います。
まず、これを基本的に理解しましょう。なぜなら、ほとんどの人は「レーザー被覆」と聞くと、腐食や摩耗を防ぐために鋼やアルミニウムに溶けた金属粉末を融合させることを想像するからです。非金属 (セラミック、ポリマー、一部の複合材料を考えてください) は、まったく異なる熱特性を持っています。たとえば、ポリマーは超低温 (100 ～ 300 °C など) で溶けます。セラミックは脆く、加熱しすぎると亀裂が発生しやすくなります。また、複合材料には熱に異常に反応する混合繊維が含まれる場合があります。したがって、ここで重要なのは、単に部品に熱を加えることではなく、他の表面処理方法だけでなく、まさにレーザークラッディングがもたらす精度の制御です。
まずは大きなもの、セラミックスから始めましょう。セラミックは硬くて耐熱性があるため、誰もが切削工具、航空宇宙部品、さらには医療用インプラントなどに使用しています。しかし、それらの最大の欠点は脆さです。セラミックの切削工具を欠けたら終わり、または股関節インプラントのセラミックコーティングに傷を付けてしまうと大きな問題になります。レーザークラッディングでそれを解決できます。いや、ここではパーツ全体を被覆するのではなく、「表面修正」と呼びましょう。別の素材の厚い層を追加するわけではありません。セラミックの中心部を損なうことなく、上部の10〜50ミクロンを微調整してより丈夫にしています。どうやって？レーザーを連続的に実行するのではなくパルス化するため、表面を超高速 (マイクロ秒) で加熱し、バルク セラミックがヒートシンクのように機能するため、同じ速さで冷却されます。昨年、当社は直接エネルギー蒸着装置を使用してジルコニア インプラントを行う歯科技工所と協力しました。彼らはセラミックの表面を少し脆くならないように修正したので、顎に取り付けたときにひび割れることがなく、患者が好む生体適合性の磨きを維持しました。その前は表面を研削していましたが、レーザー被覆によって微調整された制御が可能になったのです。
次にポリマーがあります。ポリマーやレーザーというと火災の危険があるように聞こえますが、現在、自動車の部品、携帯電話のケース、バクテリアを寄せ付けないパッケージに至るまで、変性ポリマーがあらゆるところに使われています。ここでの秘訣は、金属に使用するレーザーよりもはるかに低い低出力レーザーを使用し、通常のプラスチックよりも耐久性に優れた PEEK や ABS などのエンジニアリング熱可塑性プラスチックを使用することです。自動車分野のクライアントは、当社の DMD マシンを使用して電気自動車のダッシュボードの内部プラスチックを微調整しました。元のプラスチックは滑らかすぎたので、傷がつきやすく、日光に当たると眩しかったです。低エネルギーのレーザーを表面に照射し、完全に溶かすのではなく、最上層を顕微鏡的に粗くして、小さく正確なパターンを追加しました。プラスチックの柔軟性や重量は変わりませんでしたが、表面が傷つきにくくなり、まぶしさが 60% カットされました。これは表面の修正であり、部品全体を被覆するものではありません。また、不均一な部分やザラザラした斑点が残ることが多いサンドブラストよりもはるかに安定しています。
しかし、待ってください、落とし穴があります。すべての非金属がレーザー クラッディングに適しているわけではありません。 PVCのような柔らかいポリマー?加熱すると有毒なフュームが発生するため、チャンバーを密閉し、フュームを抽出する必要があります。気孔率の高いセラミックス?レーザーの熱により小さな亀裂が発生し、部品の奥深くまで広がる可能性があるため、事前テストを行ってパルス周波数を調整する必要があります。また、炭素繊維強化プラスチック (CFRP) などの複合材料は、炭素繊維の熱伝導がポリマーマトリックスとは異なるため、扱いが難しい。レーザーの速度と出力を制御しないと、マトリックスが焼けてしまったり、繊維が破損したりして、部品全体が弱くなってしまいます。私たちは最近、航空宇宙サプライヤーのテストを支援しました。彼らは、宇宙用に傷がつきにくいように CFRP 衛星パネルの表面を修正したいと考えていました。そこで、金属の場合よりも 50% 遅い速度で、70% 少ない電力で動作するようにレーザー クラッディング システムを調整する必要がありました。 3 回のテストが必要でしたが、繊維を損傷することなく動作することができました。
私があまり聞いていないもう 1 つの分野は、ガラスです。待ってください、ガラスは非金属ですよね？そして、それは電話の画面からソーラーパネルに至るまで、あらゆるものに使用されています。ガラスの傷は悪夢です。ディスプレイにダメージを与えたり、太陽電池の効率を低下させたりします。レーザークラッディングは、ガラス表面をプラスチックに変えることなく、傷がつきにくいように修正できます。昨年、ある太陽光発電機器メーカーが当社と協力してくれました。彼らは当社の DED マシンを使用して、低出力レーザーを使用して、ガラスの最上層と窒化ケイ素を融合するだけの、窒化ケイ素 (金属ではありません) の超薄層をソーラー パネルのガラスの表面に塗布しました。結果？ガラスの耐傷性は 3 倍高く、窒化ケイ素層は太陽光を妨げないほど十分に薄かったため、効率は変わらず、これが大きな成果でした。それまでは、1 年後には剥がれてしまう化学コーティングを使用していました。このレーザー加工された表面は、パネルの 25 年間の保証期間中ずっと持続します。
これがなぜ私のビジネスにとっても重要なのかについて話しましょう。私が最初にレーザー クラッディング マシンの販売を始めたとき、私の顧客はすべて鉱山会社 (ご希望の場合は、当社のマイニング レーザー クラッディング マシンをチェックしてください) または金属部品を製造する自動車ショップでした。今？私の問い合わせの半分は、歯科、航空宇宙、自動車内装、さらには食品包装などの非金属分野からのものです（ミールキットのバクテリアを防ぐためにプラスチックの包装を改造したいと考えている人もいました）。それは流行ではありません。サンドブラスト、化学エッチング、プラズマ溶射などの非金属の従来の表面処理には欠点があることを認識するエンジニアが増えています。サンドブラストは面倒で、化学エッチングは有毒で、プラズマ スプレーでは微細で正確なパターンを得ることができません。レーザークラッド？クリーンで正確、再現性があり、変更をどの程度深く行うかを正確に制御できます。推測は不要です。
しかし、ここからが本当の話です。これは画一的なものではありません。もし誰かが、安価なプラスチック製のおもちゃの表面を傷つきにくいように改造したいと私のところに来たら、おそらくレーザー被覆にはコストの価値がないと言うでしょう。機械への投資は、セットアップに応じて通常 50,000 ドルから 200,000 ドルから始まります (当社の直接エネルギー蒸着マシンにはさまざまな材料用の追加ノズルがあるなど)。しかし、耐久性が重要視され、傷があれば修理や交換に数千ドルかかる可能性がある医療用インプラント、航空宇宙部品、ソーラーパネルなどの高価な部品の場合は、1ペニー単位の価値があります。当社では、購入前に必ずクライアントのサンプル部品を使って無料試運転を行い、レーザー設定が機能し、修正により実際に部品に損傷を与えることなく表面が改善されることを確認します。
他のことを求めて私のところに戻ってくるクライアントもいます。その後、ジルコニア インプラントを行った歯科技工所から、当社の DMD マシンを使用して、トレーサビリティのためにインプラントに小さく正確なマーキングを追加できないか尋ねられました。小さいですが、これも表面改質の用途の 1 つであり、当初は依頼することさえ考えていませんでした。別の自動車会社はレーザー加工されたダッシュボードを使用していましたが、金属製のドアパネルの傷の問題も解決するよう当社に電話してきました。それがレーザー クラッディングの優れた点です。多用途であるため、クライアントがそれを入手すると、ビジネス全体でさらに多くの用途を見つけることができます。
さて、皆さんの中には、まだそこに座って、「ちょっと待って、実際に非金属部品にこれを使用できるの?」と考えている人もいると思います。簡単に説明しましょう。部品が高価で、精密な表面調整 (耐傷性、脆性低減、アンチグレア) が必要で、セットアップ コストを処理できる場合は、「はい」です。ただし、作業に適したマシンを選択する必要があります。当社のレーザー クラッディング システムは、ガラスやプラスチック パネルなどの平らな部品の基本的な表面修正に最適です。直接エネルギー蒸着装置は、湾曲したセラミック部品や不規則な CFRP コンポーネントなど、より複雑な形状に適しています。 DMD マシンは、ソーラー ガラス上の窒化ケイ素のような、超薄くて正確な層の作成に最適です。マイニングレーザークラッディングマシン?これは金属採掘部品用ですが、金属を超えて作業する必要がある場合は、他の製品も用意されています。
新しいクライアントが犯す最大の間違いは、金属に使用するのと同じ設定を非金属にも使用しようとすることです。出力を上げすぎたり、連続レーザーを使用したり、熱伝導率を考慮に入れなかったりすることはすべて、顧客の役割を台無しにすることになるため、私たちはあらゆる段階で顧客の手を取り続けます。私たちはただ機械を売ってあなたを幽霊にするだけではありません。サンプルをテストし、設定を調整し、正しく使用できるようにチームをトレーニングするお手伝いをします。それがサプライヤーと、機械を箱に詰めて出荷するだけの業者との違いです。
結局のところ、レーザークラッディングによる非金属の表面改質は依然として成長分野ですが、これは未来の技術ではありません。それは今ここにあり、より長持ちし、より良く機能し、より多くの機能を備えた部品を製造する方法を変えつつあります。高価な非金属部品を扱う分野にいて、従来の方法では解決できない表面の問題に対処している場合は、レーザー被覆を無視しないでください。当社のマシン (上記のリンクのようなもの) がお客様の特定の部品に対してどのような機能を実行できるかを詳しく説明し、サンプルをテストして実際の結果を示すことができます。
非金属表面の修正ニーズに対して当社のシステムがどのような対応ができるかを知りたい場合は、当社のチームに連絡して会話を開始し、プロジェクトのカスタム評価を取得してください。
参考文献
- 「セラミックスのレーザー表面改質: 最近の進歩のレビュー」ジャーナル オブ レーザー アプリケーション、vol. 32、いいえ。 2、2020、p. 022001。
- 直接エネルギー堆積: 多用途な積層造形技術。アディティブ マニュファクチャリング ハンドブック、CRC Press、2021 年、417 ～ 452 ページ。
- 「機械的および光学的特性を向上させるためのパルスレーザー照射によるポリマーの表面改質」ポリマー工学と科学、vol. 59、いいえ。 8、2019、1567–1575ページ。
- 「非金属基板のレーザークラッディングの進歩: 課題と機会」先進製造技術の国際ジャーナル、vol. 112、いいえ。 9–10、2021、2689–2705ページ。
- 「太陽光発電用途向けのレーザー誘起窒化ケイ素コーティングによるガラスの耐傷性強化」。太陽エネルギー材料と太陽電池、vol. 211、2020、p. 110557。