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Press Release

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プリンタを開発

―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に期待―
2017年10月24日
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
国立大学法人大阪大学

NEDOプロジェクトにおいて大阪大学は、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プリンタを開発しました。本成果により、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ます。

本技術については、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ます。

  • 高輝度青色半導体レーザーを搭載したSLM方式積層造形技術の図解と実際の3Dプリンタの画像

図1 高輝度青色半導体レーザー搭載SLM方式積層造形技術
図2 高輝度青色半導体レーザー搭載SLM方式3Dプリンタ

1.概要

3Dプリンタ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ます。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プリンタでは純銅素材の溶融などに課題がありました。

そこで、NEDOプロジェクト※1において、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株式会社島津製作所と共同で、日亜化学工業株式会社と株式会社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※2の高輝度化※3により純銅を積層造形できる3Dプリンタを実現しました。

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ました。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ります。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ました。

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※4を開発しました。この3Dプリンタにより、純銅の積層造形(図3)に成功しました。この3Dプリンタは、ガルバノミラー※5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ます。

本成果により、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ます。また、SLM方式3Dプリンタは、LMD(Laser Metal Deposition)方式3Dプリンタ※6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ます。

  • 3Dプリンタで作成した純銅積層造形の画像
    図3 純銅の積層造形のサンプル

本技術については、2017年10月22日(日)から26日(木)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(火)から2月1日(木)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ます。

【用語解説】

※1 NEDOプロジェクト
高輝度・高効率次世代レーザー技術開発/次世代レーザー及び加工の共通基盤技術開発/レーザー加工プラットフォームの構築/高輝度青色半導体レーザー及び加工技術の開発 (2016年度~2020年度)
※2 青色半導体レーザー
波長400nm~460nmの範囲の青色光を発振する半導体レーザー。
※3 青色半導体レーザーの高輝度化
コア径100μmの光ファイバーに青色半導体レーザーデバイスからの出力光を空間・偏光結合することによって高輝度化を実現。
※4 SLM(Selective Laser Melting)方式3Dプリンタ
Additive Manufacturing (3Dプリンタ)の方式の一つ。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。
※5 ガルバノミラー
レーザーの照射位置を制御するために用いられるミラー。
※6 LMD(Laser Metal Deposition)方式3Dプリンタ
Additive Manufacturing (3Dプリンタ)の方式の一つ。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。

2.問い合わせ先

(本ニュースリリースの内容についての問い合わせ先)

NEDO IoT推進部 担当:須永、服部 TEL:044-520-5211

大阪大学 接合科学研究所 教授 塚本 TEL:06-6879-8675 E-mail:tukamoto@jwri.osaka-u.ac.jp

(その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先)

NEDO 広報部 担当:藤本、髙津佐、坂本 TEL:044-520-5151 E-mail:nedo_press@ml.nedo.go.jp