客观日本

速度提高5倍!NEDO等开发出高速镀铜的蓝色半导体激光复合加工机

2020年07月07日 机械/机器人

日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)与大阪大学、山崎马扎克公司和岛津制作所合作,开发出了可利用高亮度蓝色半导体激光器高速、精密地镀铜的混合式复合加工机。

新开发的加工机配备由3台200W高亮度蓝色半导体激光器构成的600W级多光束加工头,可在激光聚焦点实现高功率密度,向不锈钢和铝等金属材料镀铜的速度是原来的6倍以上。通过在经常有人接触的金属扶手、家具拉手和门把手等的表面镀铜,可实现降低细菌和病毒风险的公众卫生环境,还有望应用于航空航天和纯电动汽车等产业所需的高精度部件加工。

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图1:配备高亮度蓝色半导体激光器多光束加工头的混合式复合加工机

蓝色半导体激光器对金属的吸收效率比较高,适合用来对以前的近红外线激光器难以完成的金和铜等进行加工,因此作为面向金属的新一代加工机的光源备受期待。尤其是铜材料,由于具备高导热性和高导电性,有望应用于要求高精度的航空航天和纯电动汽车等众多产业。另外,铜及铜合金对细菌有杀菌和抗菌作用,对病毒有灭活作用,一直被认为是可以有效降低细菌和病毒风险的方法之一,在医院、护理设施、学校和电车等所有设施的扶手及门把手等领域的应用备受期待,部分设施已经开始利用。

铜制扶手等产品是通过对块材进行切削和铸造等制造的,但铜材料的用量较大,价格也较高,因此在普及方面存在课题。作为解决这些课题的方法,仅在表面和必要部分镀铜的技术被纳入视野。

NEDO从2016年度开始开发高亮度蓝色半导体激光器和加工技术,大阪大学接合科学研究所的冢本雅裕教授等人组成的研究团队、山崎马扎克公司及岛津制作所在日亚化学工业公司和村谷机械制作所的技术协助下,于2018年10月开发出了配备3台100W高亮度蓝色半导体激光器的300W级多光束加工头,而此次开发的混合式复合加工机配备由3台200W高亮度蓝色半导体激光器组成的600W级多光束加工头,能高速精密地为复杂形状的部件等镀铜(图1)。

以往的激光涂覆PJ的总输出功率约为100W左右,此次通过增加到600W,可在激光聚焦点实现高功率密度,为不锈钢和铝等金属材料镀铜的速度提高到6倍以上。

通过利用此次开发的成果,在人接触的金属扶手、家具拉手和门把手等上面镀铜,可实现降低细菌和病毒风险的公众卫生环境,还有望应用于航空航天和纯电动汽车等产业所需的高精度部件加工。

【1】可高速精密涂覆的混合式复合加工机的特征

此次开发的加工机配备了由3台200W高亮度蓝色半导体激光器构成的多光束加工头。通过提高蓝色半导体激光器的亮度,除铁基和镍基等金属外,还能以原来6倍以上的高速度涂覆纯铜和铜合金等铜材料。另外,激光聚焦点的功率密度也达到以往的6倍,因此还能实现以前难以实现的多层镀铜。此外还确认,扫描一次该加工头获得的涂覆区域的最大宽度原来约为400μm,而现在能扩大至1000μm左右。采用该加工头的话,通过直接加热喷射的铜粉末材料,能将母材表面的熔融降到最低限度,混入的母材金属较少,可实现变形小的精密涂覆。

如图1所示,具有上述性能的该加工头拥有X、Y、Z三条正交直线轴和B、C两条旋转轴,配备到具备工具旋转功能的混合式复合加工机上,各轴可同时控制5条轴,能为复杂形状的部件镀铜。

【2】可用来实现降低细菌和病毒风险的公众卫生环境

关于设想了具体用户的激光涂布技术开发,石川县工业试验场和大阪富士工业公司已经引进根据NEDO的“高亮度蓝色半导体激光器及加工技术开发”实现产品化的100W高亮度蓝色半导体激光器,并构建了镀铜用基础数据库,推进了镀铜零部件的开发(图2)。大阪大学和山崎马扎克利用此次开发的加工机,与石川县工业试验场和大阪富士工业展开了合作,开始瞄准设想的用户,对门把手实施具有杀菌、抗菌和病毒灭活作用的高速精密激光镀铜(图3)。

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图2:为棒状拉手涂覆,照片:大阪富士工业公司提供

利用该加工机,不仅是现有的不锈钢和铝制扶手及家具拉手,复杂形状的门把手等也能轻松地高速精密镀铜。另外,该加工机还可应用于各种金属粉末,例如,随着开发具有更高的杀菌、抗菌和病毒灭活作用的铜合金粉末,可以为扶手、拉手及门把手等金属部件涂覆铜合金。

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图3:为门把手涂覆

NEDO的项目进一步推进了蓝色半导体激光器的高亮度化,山崎马扎克计划2020年底开发出配备kW级蓝色半导体激光器多光束加工头、能实现10倍以上的涂覆速度的混合式复合加工机,2021年实现产品化。

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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