パルスナノ秒ファイバレーザ、多用途に対応する優れた切断ツール

ジャック・ガブジル

レーザマーキングで最もよく知られるパルスナノ秒ファイバレーザは、金属と非金属の両方の材料の切断にも利用できる。

レーザ切断は、レーザマーキングに次いで最も広く採用されているレーザ材料加工だとみなされることが多い。レーザ切断といえば、高出力連続波（Continuous Wave：CW）レーザ（CO2とファイバの両方）だが、マーキングは、完全にナノ秒パルスファイバレーザの領域である。一般的にあまり理解されていないのは、これらのナノ秒レーザが切断においても高い能力を発揮することである。　
この10 年間で、ナノ秒パルスファイバレーザはその多用途性と制御能力によって、切断に加えて、エングレービング、アブレーション、スクライビング、穴あけ、テクスチャリングといったさまざまな微細加工に対して、望ましいレーザとなっている。このレーザは、一般的にパルスエネルギーは数mJ 未満だが、10kWを超えるピーク出力を高いビーム品質とともに提供することができ、平均出力もここ数年で増加していて（現時点で最大300W ）、かなり高い威力を発揮する。パルス制御機能が限られたシンプルなQスイッチ設計のものも提供されているが、独トルンプ社（TRUMPF）の「TruPulse nano」シリーズに代表されるような、より洗練された主発振器出力増幅器（MasterOscillator Power Amplifier：MOPA）アーキテクチュアを採用するものは、優れたパルス制御を備え、パルス幅や繰り返し周波数といったパラメータの制御が可能である。　
上述のようにパルスエネルギーは低く、出力も控えめであることから、ナノ秒パルスファイバレーザが、切断に対して一般的に検討されないというのはおそらく意外ではなく、実際、マルチキロワットシステムの優れた板金切断能力には太刀打ちできない。しかし、このレーザは、ますます多くのニッチな用途において、卓越した能力を発揮することが実証されている。　
ナノ秒パルスファイバレーザは、スキャナに基づくビームデリバリと併用するのが最も一般的で、それによって非常に高い処理速度が実現される。基板材料を溶融して気化させるだけの出力密度を確保するために、スポット径は小さくなければならない。1回のライン走査で、気化と溶融放出によって材料を除去するには、十分なパルス重なりが必要である。走査速度を落としてパルス重なりを増やすことにより、基本的な表面マーキングを、軽い材料除去から、最終的には深いエングレービングにまで変更することができる。材料が十分に薄い場合、加工結果は切断となり、それ以外の場合は、スクライビングとなる。このシングルパスの切断は、比較的薄い材料にしか適用できないが、今日の電池製造における非常に特殊な用途に適用することができる。　
ナノ秒パルスファイバレーザは、比類ない柔軟性と制御を備えた非接触で摩耗のないプロセスとして、従来の機械によるスリット加工やスタンピング加工に急速に置き換わっている。リチウムイオン電池セルは、薄いアルミニウム／銅箔でできた、コーティングされた陽極／陰極の層で構成されている。すべてのセル設計で採用されているそれらの金属箔は、一般的に非常に薄く、陽極の銅箔で6〜10μm、陰極のアルミ箔で10〜15μmである。これらの電極は、リチウム金属酸化物やグラファイトなどを含む独自の組成物によって両面がコーティングされている。コーティング材の厚さは最大100μmで、コーティングされた金属箔の厚さは合計で0.2mm 以上にもなる場合がある。シングルモードのCWファイバレーザは、むき出しの金属箔の切断に極めて有効で、非常に高い切断速度と卓越したエッジ品質を達成することができるが、コーティングされた電極の切断に対しては、最良の選択肢ではない。　
基本的なスリット加工で単一の材料を処理するだけの用途もあるが、特殊な形状を切り抜くノッチング加工など、大半の用途では、むき出しの金属箔とコーティングされた材料を同一パスで処理することが求められる。絶縁セラミック層が第3 の材料として追加されていて、処理がさらに複雑になる場合もある（図1）。そのような用途に対して、ナノ秒パルスファイバレーザは優れた能力を発揮する。コーティングされた電極を、わずか200Wの平均出力で1m/sを超える速度で切断できるためだ。MOPA設計により、ユーザーはパルス特性を調整して、加工性能を最適化し、多様な材料に対して切断品質と加工速度に関する要件のバランスを図ることができる（図2）。

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出典元
http://ex-press.jp/wp-content/uploads/2021/10/014-017_ilsft_laser_cutting.pdf